DE102006058995A1 - Fresnel solar collector arrangement has primary mirror, where adjustment of primary mirror is done automatically on basis of normal and actual value comparison and inclination of primary mirror is determined by inclination sensor - Google Patents
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Abstract
Description
Die
Erfindung betrifft eine Fresnel-Solar-Kollektor-Anordnung gemäß dem europäischen Patent
Hierunter versteht man ein linienfokussierendes System, bei dem mehrere, parallel zu einem Receiver angeordnete Spiegelstreifen der Sonnenposition nachgeführt werden und die Solar-Strahlung auf ein feststehendes Absorberrohr gelenkt wird, in dem ein Wärme speicherndes Medium strömt. Zusätzlich lenkt ein Sekundärreflektor, der dem Absorberrohr zugeordnet ist, die Strahlung auf die im Wesentlichen von dem Absorberrohr gebildete Brennlinie. Das Absorberrohr und der Sekundärreflektor bilden den erhöht über den Spiegelstreifen angeordneten Receiver. Ein derartiger Fresnel-Solar-Kollektor ist derzeit beispielsweise in Australien im Feldversuch im Betrieb. Die erzeugte Wärme kann als Prozesswärme genutzt werden oder z. B. mittels eines Stirlingmotors in Strom umgesetzt werden.this includes One understands a line-focusing system in which several, parallel arranged to a receiver mirror strips of the sun position tracked be and the solar radiation on a fixed absorber tube is steered, in which a heat storing medium flows. Additionally distracts a secondary reflector, which is associated with the absorber tube, the radiation to the substantially from the absorber tube formed focal line. The absorber tube and the secondary reflector make the raised above the Mirror strips arranged receiver. Such a Fresnel solar collector is currently in field trials in Australia, for example. The heat generated can be used as process heat be or z. B. converted by means of a Stirling engine into electricity become.
Der Vorteil der Fresnel-Solar-Kollektoren gegenüber den üblichen Parabolrinnen-Kollektoren liegt in ihrem deutlich vereinfachten Aufbau. Parabolrinnen-Kollektoren bestehen aus einem Reflektor, welcher die Form eines parabolischen Zylinders hat. Das Licht wird auch hier auf eine Linie fokussiert, die Fokallinie. In dieser Linie befindet sich das Absorberrohr des Parabolrinnen-Kollektors, welches die konzentrierte Strahlung absorbiert und an das durchströmende Medium abgibt. Das Medium wird dabei typischerweise auf Werte von ca. 400°C erwärmt. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades kann der Absorber mit einem Glasrohr umgeben sein. Im Zwischenraum zwischen Absorber- und Glasrohr herrscht dabei ein Vakuum zur Isolation. Der so erzeugte "Solardampf" kann auch direkt zu Prozesswärmeanwendungen oder für konventionelle Dampf- und Kombikraftwerke benutzt werden.The advantage of the Fresnel solar collectors over the usual parabolic trough collectors lies in their clearly simplified design. Parabolic trough collectors consist of a reflector, which has the shape of a parabolic cylinder. The light is also focused here on a line, the focal line. In this line is the absorber tube of the parabolic trough collector, which absorbs the concentrated radiation and releases it to the medium flowing through. The medium is typically heated to values of about 400 ° C. To improve the efficiency of the absorber may be surrounded with a glass tube. In the space between the absorber and glass tube there is a vacuum for insulation. The " solar steam" produced in this way can also be used directly for process heat applications or for conventional steam and combined cycle power plants.
Alternativ sind Flachkollektoren und CPC-Kollektoren als weitere Kollektortypen bekannt.alternative are flat collectors and CPC collectors as additional collector types known.
Der Wirkungsgrad des Fresnel-Solar-Kollektors hängt dabei im Wesentlichen davon ab, wie gut die reflektierte Sonnenstrahlung auf das Absorberrohr fokussiert wird. Hierzu ist es sinnvoll, die dem Absorberrohr zugeordneten Primärspiegel der Sonne nachzuführen. Nur so können akzeptable Wirkungsgrade der Anlage erreicht werden. Dies geschieht üblicherweise mittels eines einem jeden Primärspiegel zugeordneten Elektromotors. Die Elektromotoren sind üblicherweise wiederum mit einer Zeitsteuerung versehen, so dass die Nachführung also eher eine Steuerung als eine Regelung darstellt.Of the The efficiency of the Fresnel solar collector depends essentially on this how good the reflected solar radiation on the absorber tube is focused. For this purpose, it is useful to the absorber tube assigned primary mirror track the sun. Only so can acceptable efficiencies of the system can be achieved. This usually happens by means of an associated with each primary mirror The electric motor. The electric motors are usually in turn with a Timing provided, so the tracking so rather a control as a rule.
Ein wesentliches Problem der Fresnel-Solar-Kollektoren besteht darin, dass derartige Anordnungen die besten Wirkungsgrade in Bereichen höchster Sonneneinstrahlung, also etwa in Wüstenbereichen, erzielen, in denen extreme Temperaturschwankungen von Minusgraden bis Plusgraden von weit über 40°C zumindest nicht ungewöhnlich sind. Die eingesetzten Materialien und Trägerstrukturen sind dabei erheblichen Beanspruchungen ausgesetzt, wobei thermische Verformungen des Materials nahezu unvermeidlich sind und daher zu Winkelabweichungen in der Gesamtanordnung führen können, die sich beim Wirkungsgrad der Gesamtanlage im zweistelligen Prozentbereich niederschlagen können. Eine bereits geringe Winkelabweichung bei der Trägerstruktur der Spiegelanordnung kann dazu führen, dass ein Großteil der von den Primärspiegeln reflektierten Strahlung nicht auf das Absorberrohr fokussiert, sondern schlicht an dem Absorberrohr vorbeireflektiert wird. Darüber hinaus ist die Individualsteuerung bzw. auch -regelung und -abstimmung der diversen Elektromotoren zur Nachführung bzw. Steuerung der Verschwenkung der Spiegel von einem erheblichen Regelungs- bzw. Steuerungsaufwand begleitet, der die Anlage einigermaßen störanfällig werden lässt.One The main problem of Fresnel solar collectors is that that such arrangements have the best efficiencies in areas of maximum solar radiation, So in desert areas, achieve in which extreme temperature fluctuations of minus degrees to plus degrees from far above 40 ° C at least not uncommon are. The materials and support structures used are considerable Exposed to stress, with thermal deformations of the material almost are inevitable and therefore to angular deviations in the overall arrangement to lead can, the efficiency of the entire plant in the double-digit percentage range can knock down. An already small angular deviation in the support structure of the mirror assembly can lead to, that much that of the primary mirrors reflected radiation is not focused on the absorber tube, but simply be reflected past the absorber tube. Furthermore is the individual control or regulation and coordination the various electric motors for tracking or controlling the pivoting the mirror accompanied by a considerable regulatory or control effort, the the plant reasonably become susceptible to failure leaves.
Zur Lösung dieser Probleme schlägt der Stand der Technik vor, das Spiegeltragwerk im Bereich des Receivertragwerks und/oder in Verbindung mit dem Receivertragwerk ortsfest und im Übrigen gleitend, mithin zwängungsfrei, zu lagern. Dadurch ist sichergestellt, dass das Spiegeltragwerk im Falle einer aufgrund der Hitzeeinwirkungen unvermeidlichen thermischen Ausdehnung des Tragwerks die entsprechenden Veränderungen ausgleicht.to solution this problem strikes the prior art, the mirror structure in the receivables area and / or in connection with the receivables infrastructure stationary and otherwise sliding, thus constrained, to store. This ensures that the mirror frame in the case of a due to the heat unavoidable thermal Expansion of the structure compensates for the corresponding changes.
Dies gelingt noch besser, wenn das Receivertragwerk und das Spiegeltragwerk im Wesentlichen aus dem gleichen Material gefertigt sind und im Wesentlichen an der gleichen Stelle ortsfest aufgelagert sind. Im Falle von thermischen Materialdehnungen oder Materialschwindungen kann zumindest annäherungsweise davon ausgegangen werden, dass die wechselseitigen Ausdehnungen der Tragwerke im gleichen Ausmaß erfolgen. Beispielsweise wird dann infolge der Hitzeeinwirkung der Receivermast annähernd genauso gedehnt, wie etwa die als Spiegeltragwerk angeordneten Tragschienen der Primärspiegel. Aufgrund der einander zumindest im Wesentlichen orthogonalen Anordnung von Receivertragwerk und Spiegeltragwerk zueinander und dem aus dem gleichen eingesetzten Material resultierenden gleichen Ausdehnungskoeffizienten ist wiederum sichergestellt, dass sich die Winkelverhältnisse untereinander nicht oder allenfalls geringfügig ändern. Dies ist jedoch nur möglich, wenn sowohl das Receivertragwerk, als auch das Spiegeltragwerk zwängungsfrei gelagert sind, also nur eines von mindestens zwei notwendigen Auflagern ortsfest ist. Diese verblüffend einfache Lösung erspart es, Materialdehnungen oder Materialschwindungen kompliziert nachzuregeln oder aber den weitgehend aussichtslosen Versuch zu unternehmen, Materialen einzusetzen, die mehr oder weniger temperaturunabhängig sind. Der Einsatz derartiger Materialien scheidet zumeist aus schon aus Kostengründen aus.This is even better achieved if the receiver support structure and the mirror support structure are essentially made of the same material and are essentially stationarily supported in the same place. In the case of thermal material expansion or material shrinkage, it can at least approximately be assumed that the mutual expansions of the structures take place to the same extent. For example, as a result of the action of heat, the receiver mast is stretched approximately as well as, for example, the mounting rails of the primary mirrors arranged as a mirror support structure. Due to the mutually at least substantially orthogonal arrangement of Receivertragwerk and mirror structure to each other and the same expansion coefficient resulting from the same material used is again ensured that the angular relationships do not change or at most slightly. However, this is only possible if both the Receivertragwerk, and the mirror structure are mounted without jamming, so only one of at least two necessary supports is stationary. This amazingly simple solution saves you the trouble of expanding or shrinking material or to make the largely hopeless attempt to use materials that are more or less temperature-independent. The use of such materials is usually eliminated for reasons of cost.
In
konkreter Ausgestaltung kann der Receiver der Fresnel-Solar-Kollektor-Anordnung
als Absorberrohr auf eine Reihe von Receivermasten aufgelagert sein,
wobei an selber Stelle, gegebenenfalls unter Verwendung des selben
Betonsockels, auch das Spiegeltragwerk ortsfest gelagert sein kann.
Receivermast und Spiegeltragwerk sind dabei mit Vorteil jeweils
aus Stahl
In vorteilhafter Weiterbildung sind einige der auf dem Spiegeltragwerk aufgelagerten Primärspiegel zu einer Primärspiegelgruppe zusammengefasst, die wiederum mittels eines gemeinsamen, mechanischen Stellgliedes zur Nachfüh rung mechanisch gekoppelt sind und so der Sonne nachgeführt sind. Aufgrund der Verwendung eines gemeinsamen Stellgliedes entfällt die umständliche Abstimmung, komplizierte Steuerung und Regelung der eingesetzten Elektromotorik untereinander zumindest innerhalb der betroffenen Primärspiegelgruppe. Vielmehr kann mittels eines gemeinsamen Stellgliedes die Primärspiegelgruppe insgesamt verstellt werden, wobei die Relativwinkelbeziehung der Primärspiegel untereinander stets gewahrt ist. Dem liegt wiederum die an sich triviale Erkenntnis des Strahlensatzes zugrunde, dass die im Zuge der Nachführung nach der Sonne erforderliche relative Winkelverstellung der Primärspiegel, die gegenüber dem beabstandet und erhöht angeordneten Absorberrohr in einer gedachten orthogonalen Linie zum Absorberrohr hintereinander angeordnet sind, relativ zueinander gleich ist. Dies würde übrigens auch für die auf einer gedachten parallelen Linie zu dem Absorberrohr angeordneten Primärspiegel gelten.In Advantageous development are some of the on the mirror structure superimposed primary mirror to a primary mirror group summarized, in turn, by means of a common, mechanical Actuator for Nachfüh tion mechanically coupled and so the sun are tracked. Due to the use of a common actuator eliminates the cumbersome Tuning, complicated control and regulation of the electromotive used among themselves at least within the affected primary mirror group. Rather, by means of a common actuator, the primary mirror group be adjusted in total, the relative angle of the primary mirror is always maintained among each other. That, in turn, is in itself trivial knowledge of the set of rays underlying that in the course the tracking required relative to the sun relative angle adjustment of the primary mirror, the opposite spaced and elevated arranged Absorber tube in an imaginary orthogonal line to the absorber tube are arranged one behind the other, is the same relative to each other. This would, by the way also for arranged on an imaginary parallel line to the absorber tube primary mirror be valid.
Die vorstehend erläuterte Ausführung der Kollektoranordnung mit einer mechanischen Kopplung zur gemeinsamen Verschwenkung der Primärspiegel mittels eines gemeinsamen Stellgliedes ist dabei auch unabhängig von der zwängungsfreien Lagerung des Spiegeltragwerks vorteilhaft.The explained above execution the collector assembly with a mechanical coupling to the common Pivoting of the primary mirror By means of a common actuator is also independent of the constraint-free Storage of the mirror structure advantageous.
Diese gemeinsame Verschwenkung wird durch eine Verbindung der Primärspiegel einer Primärspiegelgruppe mittels einer Nachführwelle erreicht. Durch die Bewegung der Schubstange bei der Ausrichtung der Primärspiegel wird eine Drehung der Nachführwelle bewirkt, welche durch die Verbindung gleichmäßig auf die gesamte Primärspiegelgruppe übertragen wird.These Joint pivoting is achieved by connecting the primary mirror a primary mirror group by means of a tracking shaft reached. By the movement of the push rod in the alignment the primary mirror becomes a rotation of the tracking shaft which transmits through the compound evenly to the entire primary mirror group becomes.
Mit Vorteil ist die Nachführwelle in regelmäßigen Abständen in Rollenböcken gelagert, welche die Welle umgreifen, sie dabei aber lediglich mithilfe von Rollelementen lagern. Diese Rollelemente gestatten eine axiale Drehung der Nachführwelle und sind in ihrer Form fassartig gebildet, sind also im Wesentlichen zylindrig, wobei ihre Mantelflächen bauchig ausladend sind. Diese Form ermöglicht es, die Nachführwelle nicht nur entlang ebener Flächen anzuordnen, sondern auch gegebenenfalls über Höhenänderungen hinweg zu führen. Die Welle kann auf den Rollelementen schräg angestellt werden, so dass eine gleichzeitige schräge Anstellung des Rollenbocks entfallen kann.With Advantage is the tracking shaft at regular intervals in roller blocks stored, which encircle the shaft, but they only using store rolling elements. These rolling elements allow an axial Rotation of the tracking shaft and are formed in their shape barrel-like, so are essentially cylindrical, with their lateral surfaces bulging are bulging. This shape allows the tracking shaft not only along flat surfaces to arrange, but also to guide over height changes if necessary. The Wave can be made obliquely on the rolling elements, so that a simultaneous oblique Employment of the roller block can be omitted.
In konkreter Ausgestaltung kann die mechanische Kopplung der zu einer Gruppe zusammengefassten Primärspiegel mittels einer gemeinsamen Schubstange realisiert sein, über welche die verschwenkbar auf dem Spiegeltragwerk gelagerten Primärspiegel relativ zum Absorberrohr in Abhängigkeit vom Stand der Sonne bzw. der Uhrzeit verschwenkt oder besser gesagt der Sonne nachgeführt werden.In concrete embodiment, the mechanical coupling of a Group of combined primary levels be realized by means of a common push rod, over which the pivotally mounted on the mirror frame primary mirror relative to the absorber tube as a function of Swung the sun or the time of the sun or better said followed by the sun become.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist die Schubstange mit einem Linearmotor elektromotorisch angetrieben, wobei mittels des Linearmotors die orthogonal zur Längserstreckung des Absorberrohrs angeordnete Schubstange in Abhängigkeit vom Sonnenstand ein- oder ausgerückt wird.In Advantageous embodiment is the push rod with a linear motor driven by electric motor, wherein by means of the linear motor, the orthogonal to the longitudinal extent of the absorber tube, depending on the position of the sun, or disengaged becomes.
In vorteilhafter Ausgestaltung strömt dabei in dem Absorberrohr ein Wasserdampf oder ein Thermoöl, das durch die reflektierte Strahlung auf eine Temperatur von bis zu ca. 400°C erhitzt wird. Das solcherart erhitzte Wärmemedium kann dann in an sich bekannter Weise weiterer Nutzung zugeführt werden oder zur Stromerzeugung eingesetzt werden.In advantageous embodiment flows while in the absorber tube, a steam or a thermal oil through heated the reflected radiation to a temperature of up to about 400 ° C. becomes. The thus heated heat medium can then be supplied in a conventional manner further use or used for power generation.
Um trotz der verbesserten Winkeltreue der Anordnung auch den Wirkungsgrad der Anordnung weiterzuverbessern, ist dem Absorberrohr zusätzlich ein Sekundärreflektor zugeordnet, der das Absorberrohr im Wesentlichen schirmartig übergreift und so etwaige Streustrahlung der Primärspiegel auffängt und derart umlenkt, dass auch diese Streustrahlung auf das Absorberrohr fokussiert wird.Around despite the improved angular accuracy of the arrangement and the efficiency To further improve the arrangement, the absorber tube is also a secondary reflector assigned, which engages over the absorber tube substantially umbrella-like and so any stray radiation of the primary mirror fields and so deflected that even this scattered radiation on the absorber tube is focused.
Der Sekundärreflektor ist also ebenfalls so angeordnet, dass das Absorberrohr im Wesentlichen in der Fokallinie des Sekundärreflektors liegt.Of the secondary reflector is therefore also arranged so that the absorber tube substantially in the focal line of the secondary reflector lies.
In einer weiteren Ausgestaltung des elektromotorischen Antriebs ist der Linearmotor im Wesentlichen auch zentral, also etwa im Bereich der gedachten Linie, die von den in einer Reihe angeordneten Receivermasten gebildet ist, angeordnet. Dabei kann bei Verwendung einer entsprechenden Umlenkung mit ein und dem selben Linearmotor sowohl eine oder mehrere mittels einer oder mehrerer Schubstangen angetriebene Primärspiegelgruppen links des Absorberrohrs, wie auch eine oder mehrere mittels einer oder mehrer Schubstangen angetriebene Primärspiegelgruppen rechts des Absorberrohrs derart angetrieben werden, dass eine zeitgesteuerte oder dem Sonnenstand nachgeführte geregelte Verschwenkung der Primärspiegel relativ zum Absorberrohr erfolgt.In a further refinement of the electromotive drive, the linear motor is also essentially arranged centrally, that is to say approximately in the region of the imaginary line which is formed by the receiver masts arranged in a row. In this case, when using a corresponding deflection with one and the same linear motor both one or more driven by one or more push rods primary mirror groups left of Absor berrohrs, as well as one or more driven by one or more push rods primary mirror groups are driven to the right of the absorber tube such that a timed or the sun's position tracked controlled pivoting of the primary mirror is relative to the absorber tube.
Die notwendig gegenläufige Bewegung der Primärspiegel rechts des Absorberrohrs im Vergleich zu den Primärspiegeln links des Absorberrohrs wird durch eine nur einer der beiden Seiten zugeordnete Umlenkung der Linearbewegung der Schubstange realisiert.The necessarily counter-rotating Movement of the primary mirror right of the absorber tube compared to the primary mirrors To the left of the absorber tube is through one of only two sides associated deflection of the linear movement of the push rod realized.
In vorteilhafter Ausgestaltung können die Linearmotoren mit einer gemeinsamen Steuerung und/oder Regelung verbunden sein, da die von den Schubstangen auszuführenden Relativbewegungen über die gesamte Länge des Absorberrohrs exakt identisch sind und somit eine gemeinsame Regelung für die gesamte Anlage möglich ist.In advantageous embodiment can the linear motors with a common control and / or regulation be connected, as to be carried out by the push rods Relative movements over the entire length of the absorber tube are exactly identical and thus a common Regulation for the entire facility possible is.
Allerdings
wird nach dieser, aus der
Vor dem Hintergrund dieses Standes der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, ein Receivertragwerk zu schaffen, welches die Genauigkeit der Istwertermittlung verbessert.In front The background of this prior art is thus the invention the object of the invention to provide a Receivertragwerk, which Improves the accuracy of the actual value determination.
Dies gelingt durch eine Fresnet-Solar-Kollektor-Anordnung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere Ausgestaltungen dieser Anordnungen können den Unteransprüchen entnommen werden.This succeeds by a Fresnet solar collector arrangement according to the features of claim 1. Further embodiments of these arrangements, the dependent claims be removed.
Erfindungsgemäß wird einem jeden Primärspiegel oder zumindest einer jeden Primärspiegelgruppe ein Neigungssensor zugeordnet, welcher eine Ermittlung der Neigung der Primärspiegel gegen die Senkrechte zulässt. Der oder die Neigungssensoren liefern einen exakten Istwert der Neigung, welcher an den Regler übermittelt wird und diesem als Istwert zur Verfügung steht. Es kann damit entfallen, den Istwert der Neigung aus der Stellung der Schubstangen zu ermitteln. Ein geschlossener Regelkreis ist somit realisiert.According to the invention is a every primary mirror or at least one of each primary mirror group associated with a tilt sensor, which is a determination of the inclination the primary mirror against the vertical. The inclinometer or sensors provide an exact actual value of the Tilt, which conveys to the regulator and is available as an actual value. It can be omitted, the Actual value of the inclination to determine from the position of the push rods. A closed loop is thus realized.
Ein solcher Neigungssensor kann elektronisch etwa mittels einer Quecksilberkammer realisiert sein, deren Wand als Widerstandsbahn ausgeführt ist. Je nach Lage des Neigungssensors wird durch das in der Kammer enthaltene Quecksilber ein Teil der Widerstandsbahn in charakteristischer Weise beaufschlagt. Infolge dieser Beaufschlagung der Widerstandsbahn kann auf die Lage des Quecksilbers und damit auf die Neigungslage des Neigungssensors zurückgeschlossen werden. Dies gewährleistet ein elektronisches Signal, welches direkt in einen Lagewert zur Erfassung der Neigung umgesetzt werden kann.One such tilt sensor can be electronically such as by means of a mercury chamber be realized whose wall is designed as a resistance path. Depending on the position of the inclination sensor is contained by the in the chamber Mercury applied to a part of the resistance path in a characteristic manner. As a result of this imposition of resistance can on the location of mercury and thus on the inclination of the tilt sensor deduced become. This ensures a electronic signal, which directly into a position value for detection the inclination can be implemented.
In sinnvoller Weiterbildung wird der Regler mit einer Mehrzahl von Linearantrieben bzw. einer Mehrzahl von Neigungssensoren über einen gemeinsamen Bus verbunden.In meaningful development is the controller with a plurality of Linear drives or a plurality of tilt sensors via a shared bus.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung nur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.The Invention will be described below with reference to a in the drawing only schematically illustrated embodiment explained in more detail.
Es zeigen:It demonstrate:
Gemäß der Darstellung
in
Das
Spiegeltragwerk
Die
Fresnel-Solar-Kollektor-Anordnung gemäß
Gemäß
Dabei
kann es sich gemäß der Prinzipdarstellung
in
Die
Prinzipiell
wird gemäß
Vorstehend
ist somit eine Fresnel-Solar-Kollektor-Anordnung beschrieben, die
weitgehend dadurch temperaturkompensiert ist, dass für die Trägerschienen
- 11
- Receiverreceiver
- 22
- Receivermastreceiver mast
- 33
- Fixlagerfixed bearing
- 44
- SpiegeltragwerkMirror structure
- 55
- Trägerschienesupport rail
- 6, 6'6 6 '
- Primärspiegelprimary mirror
- 77
- Fußelementefoot elements
- 8, 8'8th, 8th'
- Spiegelträgermirror support
- 10, 10'10 10 '
- Schubstangepushrod
- 11, 11', 11''11 11 ', 11' '
- Linearmotorlinear motor
- 1212
- Reglerregulator
- 1313
- Ist-/Sollwert-VergleichPV / SV Comparison
- 1414
- ZeiterfassungsvorrichtungTime recording device
- 1515
- RollenbockRollenbock
- 16, 16'16 16 '
- Rollelementerolling elements
- 1717
- Nachführwelletracking shaft
- 18, 18'18 18 '
- Neigungssensortilt sensor
- 1919
- Busbus
Claims (6)
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