DE212011100108U1 - Photovoltaic module - Google Patents
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Abstract
Photovoltaik-Modul mit mehreren Solarzellen (1), die eine der Sonnenstrahlung exponierte Vorderseite und eine Rückseite aufweisen, wobei eine erste Solarzelle (1) oder eine erste Gruppe von Solarzellen (1) über ihre Rückseite mit einer Vorderseite eines ersten Abschnitts eines elektrisch leitenden Wärmeleiters (4) verbunden ist, und mindestens eine weitere Solarzelle (1) oder eine weitere Gruppe von Solarzellen (1) über ihre Rückseite mit der Vorderseite eines weiteren Abschnitts des elektrisch leitenden Wärmeleiters (4) verbunden ist, welcher elektrisch leitender Wärmeleiter (4) über eine wärmeleitende, aber elektrisch isolierende Schicht (5) mit einer Grundplatte (6, 7) verbunden ist, wobei die Vorderseite der ersten Solarzellen (1) oder Gruppe von Solarzellen (1) mit der Vorderseite des weiteren Abschnitts des elektrisch leitenden Wärmeleiters (4) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der ersten Solarzelle (1) oder Gruppe von Solarzellen (1) mit dem weiteren Abschnitt des elektrisch leitenden Wärmeleiters (4) durch Wedge-Bonding erfolgt.A photovoltaic module having a plurality of solar cells (1) having a solar radiation exposed front side and a rear side, wherein a first solar cell (1) or a first group of solar cells (1) via its rear side with a front side of a first portion of an electrically conductive heat conductor (4) is connected, and at least one further solar cell (1) or a further group of solar cells (1) via its rear side to the front of another portion of the electrically conductive heat conductor (4) is connected, which electrically conductive heat conductor (4) via a thermally conductive but electrically insulating layer (5) is connected to a base plate (6, 7), the front side of the first solar cell (1) or group of solar cells (1) being connected to the front side of the further section of the electrically conductive heat conductor (4) is electrically connected, characterized in that the connection of the first solar cell (1) or group of solar cells (1 ) takes place with the further portion of the electrically conductive heat conductor (4) by wedge bonding.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Photovoltaik-Modul mit mehreren Solarzellen, die eine der Sonnenstrahlung exponierte Vorderseite und eine Rückseite aufweisen, wobei eine erste Solarzelle oder eine erste Gruppe von Solarzellen über ihre Rückseite mit einer Vorderseite eines ersten Abschnitts eines elektrisch leitenden Wärmeleiters verbunden ist, und mindestens eine weitere Solarzelle oder eine weitere Gruppe von Solarzellen über ihre Rückseite mit der Vorderseite eines weiteren Abschnitts des elektrisch leitenden Wärmeleiters verbunden ist, welcher elektrisch leitender Wärmeleiter über eine wärmeleitende, aber elektrisch isolierende Schicht mit einer metallischen und/oder nichtmetallischen Grundplatte verbunden ist, wobei die Vorderseite der ersten Solarzellen oder Gruppe von Solarzellen mit der Vorderseite des weiteren Abschnitts des elektrisch leitenden Wärmeleiters elektrisch verbunden ist.The present invention relates to a photovoltaic module having a plurality of solar cells having a solar radiation exposed front side and a rear side, wherein a first solar cell or a first group of solar cells is connected via its rear side to a front side of a first portion of an electrically conductive heat conductor, and at least one further solar cell or a further group of solar cells is connected via its rear side to the front side of a further section of the electrically conductive heat conductor, which electrically conductive heat conductor is connected to a metallic and / or non-metallic base plate via a thermally conductive but electrically insulating layer, wherein the front side of the first solar cell or group of solar cells is electrically connected to the front side of the further section of the electrically conductive heat conductor.
Die Erzeugung von elektrischen Strom durch Photovoltaik gewinnt zunehmend an Bedeutung, da es sich dabei um ein vollkommen emissionsfreies, CO2-neutrales und somit völlig umweltfreundliches Verfahren handelt. Insbesondere in tropischen und subtropischen Wüstengebieten wird die Photovoltaik besonders vorteilhaft einsetzbar sein, da die durchschnittliche Strahlungsleistung wesentlich größer ist als in gemäßigten Breiten und praktisch unbeschränkt Platz für die Aufstellung von Modulen zur Verfügung steht. Ein bekanntes Problem beim Einsatz von Photovoltaik-Modulen unter diesen Voraussetzungen ist die Tatsache, dass der Wirkungsgrad solcher Bauelemente mit steigender Temperatur abnimmt. Dies wird als negativer Temperaturkoeffizient bezeichnet. Dies spielt eine wesentliche Rolle, da es ohne effiziente Kühlung zu einer Erwärmung von Photovoltaik-Modulen auf Temperaturen von weit über 100°C kommen kann. Bei diesen Temperaturen wird auch die Lebensdauer der Module spürbar verringert.The generation of electric power by photovoltaic is becoming increasingly important, since it is a completely emission-free, CO 2 -neutral and thus completely environmentally friendly process. Especially in tropical and subtropical desert areas, photovoltaics will be particularly advantageous because the average radiant power is much greater than in temperate latitudes and virtually unlimited space for the installation of modules is available. A known problem with the use of photovoltaic modules under these conditions is the fact that the efficiency of such devices decreases with increasing temperature. This is called the negative temperature coefficient. This plays an essential role, as it can come to temperatures of well over 100 ° C without efficient cooling to a heating of photovoltaic modules. At these temperatures, the lifetime of the modules is noticeably reduced.
Aus der
Die elektrische Kontaktierung von den einzelnen Solarzellen erfolgt in üblicher Weise dadurch, dass Verbindungsdrähte einerseits auf der Oberseite und andererseits auf der Unterseite von Solarzellen angelötet sind. Eine typische Art der Kontaktierung ist in der
Aus der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und ein Photovoltaik-Modul anzugeben, das bei wirksamer Kühlung langlebig und effizient ist.The object of the present invention is to avoid these disadvantages and to provide a photovoltaic module which is durable and efficient with effective cooling.
Insbesondere soll mit der vorliegenden Erfindung eine effiziente und kaufmännisch sinnvolle Offshore-Verwendung möglich sein, d. h. dass die Module im Meer schwimmend angeordnet werden können. Es kann sich dabei sowohl um eine Anordnung im küstennahen Flachwasser als auch auf hoher See handeln.In particular, should be possible with the present invention, an efficient and commercially meaningful offshore use, d. H. that the modules can be arranged floating in the sea. It can be both an arrangement in the shallow shallow water and on the high seas.
Wesentlich an der vorliegenden Erfindung ist, dass die wärmeleitende Schicht unterhalb der Solarzellen nicht nur zur Wärmeübertragung, sondern auch zur elektrischen Kontaktierung benutzt wird. Auf diese Weise ist es möglich, eine vollflächige Verbindung der einzelnen Solarzellen mit der Grundplatte herzustellen, ohne Rücksicht auf Kontaktierungsdrähte oder dergleichen nehmen zu müssen. Es kann damit ein optimaler thermischer Übergang bei gleichzeitig vorteilhaften elektrischen Eigenschaften erzielt werden.It is essential to the present invention that the heat-conducting layer underneath the solar cells is used not only for heat transfer but also for electrical contacting. In this way it is possible to produce a full-surface connection of the individual solar cells with the base plate, without having to take account of Kontaktierungsdrähte or the like. It can thus be achieved an optimal thermal transition at the same time advantageous electrical properties.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Verbindung der ersten Solarzelle oder Gruppe von Solarzellen mit dem weiteren Abschnitt des elektrisch leitenden Wärmeleiters durch Wedge-Bonding) erfolgt. Bei dieser Technologie handelt es sich um die Herstellung einer elektrischen Verbindung durch Ultraschall, wodurch die oberflächige Oxydschicht von Aluminium mechanisch entfernt wird, so dass eine dauerhafte und stabile Verbindung erreicht wird. Besonders vorteilhaft ist, dass es die Bauteile aufgrund der nur minimal eingebrachten Wärme thermisch nicht belastet und der Einsatz von Flussmitteln und dergleichen vermieden werden kann. Dabei wird besonders bevorzugt das sogenannte Wedge-Verfahren eingesetzt.It is particularly advantageous if the connection of the first solar cell or group of Solar cells with the other portion of the electrically conductive heat conductor by wedge bonding) takes place. This technology involves making an electrical connection by ultrasound, which mechanically removes the surface oxide layer of aluminum, resulting in a durable and stable bond. It is particularly advantageous that it does not thermally stress the components due to the only minimally introduced heat and the use of flux and the like can be avoided. In this case, the so-called wedge method is particularly preferably used.
Insbesondere ist vorgesehen, die Verbindung der ersten Solarzelle oder Gruppe von Solarzellen mit dem weiteren Abschnitt des elektrisch leitenden Wärmeleiters mit Hilfe eines Bondingdrahtes oder Bondingbändchens erfolgt, welcher bzw. welches an seinen Endbereichen durch Wedge-Bonding an der Solarzelle bzw. deren Ableitelektrode einerseits und dem weiteren Abschnitt des elektrisch leitenden Wärmeleiters andererseits durch Ultraschall-Bonding befestigt ist.In particular, it is provided that the connection of the first solar cell or group of solar cells with the further portion of the electrically conductive heat conductor by means of a bonding wire or bonding tape, which at its end by wedge bonding to the solar cell or its Ableitelektrode on the one hand and the another portion of the electrically conductive heat conductor on the other hand is fixed by ultrasonic bonding.
Die Herstellung der elektrischen Verbindung der einzelnen Solarzellen kann in besonders bevorzugter Weise dadurch begünstigt werden, dass die wärmeleitende Schicht an mindestens einer Seite über die Solarzellen vorragt. Dieser vorragende Abschnitt wird für die Anbringung der Kontaktierungsdrähte bzw. -bändchen verwendet.The production of the electrical connection of the individual solar cells can be favored in a particularly preferred manner in that the heat-conducting layer protrudes on at least one side over the solar cells. This protruding portion is used for attaching the contacting wires or tapes.
Eine weitere besonders begünstigte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die wärmeleitende Schicht aus Aluminium und die wärmeleitende, aber elektrisch isolierende Schicht aus Epoxyharzen und zwar insbesondere in Form von 2-komponentigen Systemen hergestellt ist. Auf diese Weise kann die über die Sonneneinstrahlung eingebrachte Wärme besonders effizient abgeführt werden.Another particularly preferred embodiment of the present invention provides that the heat-conductive layer of aluminum and the heat-conducting, but electrically insulating layer of epoxy resins, in particular in the form of 2-component systems is made. In this way, the heat introduced by the solar radiation heat can be dissipated particularly efficient.
Der wirksame Flächenanteil der einzelnen Solarzellen kann dadurch besonders erhöht werden, dass mehrere Einzelkontakte an der Vorderseite der Solarzellen einzeln mit dem weiteren Abschnitt der wärmeleitenden Schicht verbunden sind. Solarzellen sind häufig so ausgebildet, dass an der Oberfläche eine Mehrzahl von dünnen, zueinander parallel verlaufenden Einzelkontakten angeordnet sind, die durch ein, zwei oder mehrere dazu senkrecht verlaufende Sammelkontakte (Busbar) verbunden sind. Die Kontaktierung erfolgt durch Anlöten von entsprechenden Verbindungsdrähten an diesen Sammelkontakten (Bus-Bars). Typischerweise verdecken die Sammelkontakte relativ große aktive Flächen der Gesamtfläche einer Solarzelle, was den Wirkungsgrad entsprechend verringert, da diese Fläche nicht für die Stromerzeugung zur Verfügung steht. Bei der bevorzugten Ausführungsvariante wird nun der Sammelkontakt weggelassen und es werden die einzelnen Kontakte direkt mit Bondings versehen, um diese mit der wärmeleitenden Schicht der benachbarten Solarzelle zu verbinden (sogenannte Finger-Kontaktierung). Auf diese Weise kann der Flächenbedarf für die Kontaktierung entsprechend verringert werden. Außerdem ist es auf diese Weise möglich, auch Sonderformate in nicht rechteckiger Form mit hohem Wirkungsgrad zur Verfügung zu stellen.The effective area fraction of the individual solar cells can be increased in particular by connecting a plurality of individual contacts on the front side of the solar cells individually to the further section of the heat-conducting layer. Solar cells are often designed so that on the surface of a plurality of thin, mutually parallel individual contacts are arranged, which are connected by one, two or more perpendicular thereto collecting contacts (busbar). The contacting takes place by soldering of corresponding connecting wires to these collecting contacts (bus bars). Typically, the collection contacts cover relatively large active areas of the total area of a solar cell, which reduces the efficiency accordingly, since this area is not available for power generation. In the preferred embodiment, the collecting contact is now omitted and the individual contacts are provided directly with bonding to connect them with the heat-conducting layer of the adjacent solar cell (so-called finger-contacting). In this way, the area required for contacting can be reduced accordingly. In addition, it is possible in this way to provide special formats in non-rectangular form with high efficiency available.
Alternativ dazu ist es möglich, einen Verbindungsdraht mit einem Sammelkontakt an der Vorderseite mehrfach durch Ultraschallbonding zu verbinden. Dadurch wird bei der Herstellung eine Vereinfachung gegenüber dem oben dargestellten Konzept erzielt, wobei es aufgrund des Ultraschallbondingverfahrens möglich ist, deutlich schmälere Sammelkontakte zu verwenden, so dass der Flächenbedarf im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen ebenfalls verringert werden kann.Alternatively, it is possible to repeatedly bond a bonding wire to a collecting contact on the front side by ultrasonic bonding. As a result, a simplification is achieved in the production compared to the concept presented above, wherein it is possible due to the Ultraschallbondingverfahrens to use significantly narrower collecting contacts, so that the space requirement compared to conventional solutions can also be reduced.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsvariante sieht vor, dass die Solarzellen durch eine Glasplatte abgedeckt sind und dass der Raum zwischen der Solarzellen und der Glasplatte mit einem Zweikomponenten-Harz ausgefüllt ist. Im Vergleich zu herkömmlichen Schichtaufbauten mit Thermoplasten (z. B. EVA-Folien kann hier eine besonders dichte, robuste und langlebige Verbindung der einzelnen Komponenten erreicht werden, die besonders unter rauen Umweltbedingungen, wie beispielsweise beim Einsatz im Bereich von Seewasser besondere Vorteile aufweist.Another particularly preferred embodiment provides that the solar cells are covered by a glass plate and that the space between the solar cell and the glass plate is filled with a two-component resin. Compared to conventional layer structures with thermoplastics (eg EVA films, a particularly dense, robust and durable connection of the individual components can be achieved here, which has particular advantages under harsh environmental conditions, for example when used in the area of seawater.
Zur Herstellung eines Photovoltaik-Moduls, werden auf eine metallische oder nichtmetallische Grundplatte eine wärmeleitende, aber elektrisch isolierende Schicht, darauf eine wärmeleitende Schicht und darauf Solarzellen aufgebracht. Dabei wird die wärmeleitende Schicht in einen ersten Abschnitt und mindestens einen weiteren Abschnitt unterteilt und eine Solarzelle am ersten Abschnitt der wärmeleitenden Schicht durch US-Bonding elektrisch mit einer Vorderseite des weiteren Abschnitts der wärmeleitenden Schicht verbunden. Für die Reihenfolge der Ausführung der einzelnen Schritte bestehen mehrere Möglichkeiten. Besonders bevorzugt ist es allerdings, die Grundplatte mit der wärmeleitenden, aber elektrisch isolierenden Schicht zu versehen, und darauf eine durchgängige wärmeleitende Schicht in der Form einer Metallfolie aufzubringen. Danach wird diese wärmeleitende Schicht vorzugsweise durch Ätzen, Lasern oder Fräsen in mehrere nicht zusammenhängende Abschnitte unterteilt. Auf jedem dieser Abschnitte wird im Anschluss eine Solarzelle oder eine Gruppe von Solarzellen vollflächig verklebt und mit Wedge-Technik verbunden. Danach erfolgt die Kontaktierung, indem jeweils die Oberseite einer Solarzelle mit einem benachbarten Abschnitt der elektrisch leitenden Schicht verbunden wird. Danach wird das Modul durch Aufbringen der Glasplatte und Vergießen des Zwischenraums fertiggestellt. Dieses Verfahren wird bevorzugt so durchgeführt, dass die mit den Solarzellen bestückte Grundplatte mit einer Glasplatte abgedeckt wird, die so erhaltene Baugruppe evakuiert wird und danach der Zwischenraum, der beispielsweise mit Abstandhalter definiert wird, zwischen Grundplatte und Glasplatte mit einem Zweikomponenten-Harz ausgefüllt wird.To produce a photovoltaic module, a heat-conducting, but electrically insulating layer is applied to a metallic or non-metallic base plate, thereupon a heat-conducting layer and thereon solar cells. In this case, the heat-conducting layer is subdivided into a first section and at least one further section, and a solar cell at the first section of the heat-conducting layer is electrically connected by US bonding to a front side of the further section of the heat-conducting layer. There are several possibilities for the sequence of execution of the individual steps. However, it is particularly preferred to provide the base plate with the heat-conducting, but electrically insulating layer, and to apply thereto a continuous heat-conducting layer in the form of a metal foil. Thereafter, this heat-conducting layer is preferably subdivided by etching, laser cutting or milling into a plurality of non-contiguous sections. On each of these sections, a solar cell or a group of solar cells is subsequently glued over the entire surface and connected with wedge technology. Thereafter, the contacting takes place by each of the top of a solar cell with an adjacent portion of the electric conductive layer is connected. Thereafter, the module is completed by applying the glass plate and potting the gap. This method is preferably carried out so that the base plate equipped with the solar cells is covered with a glass plate, the assembly thus obtained is evacuated and then the gap, which is defined for example with spacers, filled between the base plate and glass plate with a two-component resin.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass der Abstand der elektronischen Bauteile zueinander für eine elektrische Verbindung minimiert werden kann. Somit kann der Anteil der aktiv genutzten Oberfläche des Paneels besser ausgenutzt werden.Another advantage of the invention is that the distance of the electronic components to one another for an electrical connection can be minimized. Thus, the proportion of actively used surface of the panel can be better utilized.
Mit einem an der Rückseite der elektrischen Bauteile und an die elektrischen Bauteile anschließend angeordneten, durchgehend wärmeleitenden Schichtaufbau wird die thermische Energie über den gesamten Schichtaufbau abgeleitet und die Temperatur in den elektronischen Bauteilen, welche sich sonst anstauen würde, verringert. Am Beispiel von Photovoltaik-Modulen lässt sich somit die als negativer Temperaturkoeffizient ausgedrückte nachteilige Wirkung der Erwärmung der Photovoltaik-Zellen verringern.With a continuously thermally conductive layer structure arranged on the rear side of the electrical components and on the electrical components, the thermal energy is dissipated over the entire layer structure and the temperature in the electronic components, which would otherwise accumulate, is reduced. Using the example of photovoltaic modules can thus reduce the negative temperature coefficient expressed adverse effect of heating the photovoltaic cells.
Im Rahmen der Erfindung können voneinander beabstandete Bauteile bzw. voneinander beabstandete Gruppen von Bauteilen mit einem gemeinsamen elektrisch leitenden Wärmeleiter verbunden sein. In der Regel ist es jedoch bevorzugt, dass der elektrisch leitende Wärmeleiter in getrennte Abschnitte strukturiert ist und dass voneinander beabstandete Bauteile bzw. voneinander beabstandete Gruppen von Bauteilen jeweils mit einem eigens zugeordneten elektrisch leitenden Wärmeleiter verbunden sind. Die zuletzt genannte Variante weist den Vorteil auf, dass durch die Strukturierung des elektrisch leitenden Wärmeleiters eine Strukturierung des mit den Bauteilen bestückten Paneels erfolgt.In the context of the invention, spaced-apart components or groups of components spaced apart from one another may be connected to a common electrically conductive heat conductor. In general, however, it is preferred that the electrically conductive heat conductor is structured in separate sections and that spaced-apart components or spaced-apart groups of components are each connected to a dedicated electrically conductive heat conductor. The last-mentioned variant has the advantage that structuring of the panel equipped with the components takes place by structuring the electrically conductive heat conductor.
Im Rahmen der Erfindung können die Bauteile direkt mit dem elektrischen leitenden Wärmeleiter verbunden sein, beispielsweise durch Ultraschall. Alternativ dazu können die Bauteile über eine wärmeleitende Verbindungsschicht, zum Beispiel ein Wärmeleitkleber oder eine Wärmeleitpaste, mit dem elektrisch leitenden Wärmeleiter verbunden sein.In the context of the invention, the components can be connected directly to the electrically conductive heat conductor, for example by ultrasound. Alternatively, the components may be connected to the electrically conductive heat conductor via a thermally conductive connection layer, for example a thermal adhesive or a thermal compound.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der elektrisch leitende Wärmeleiter eine Schicht aus Kupfer oder Aluminium mit entsprechenden Schichtdicken.In a particularly preferred embodiment, the electrically conductive heat conductor is a layer of copper or aluminum with corresponding layer thicknesses.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist an der den Bauteilen abgewandten Seite von wenigstens einer elektrisch isolierenden Schicht ein stabiler Wärmeleiter angeordnet. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der stabile Wärmeleiter ein Wärmetauscher ist, der vorzugsweise die letzte Schicht im Schichtaufbau ist.In a further preferred embodiment of the invention, a stable heat conductor is arranged on the side facing away from the components of at least one electrically insulating layer. In particular, it can be provided that the stable heat conductor is a heat exchanger, which is preferably the last layer in the layer structure.
Zwei beispielhafte Einsatzgebiete, in welchen das erfindungsgemäße Photovoltaik-Modul besonders vorteilhaft zur Anwendung kommt, sind eine Offshore-Verwendung, z. B. eine außerhalb von Küstenwässern stattfindende Verwendung, etwa auf hoher See sowie eine Verwendung in Wüstengebieten.Two exemplary application areas in which the photovoltaic module according to the invention is used particularly advantageously are an offshore use, for. As an off-shore use, such as on the high seas and use in desert areas.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen, in welchen bevorzugte Ausführungsformen dargestellt sind. Es zeigen:Further details, features and advantages of the invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying drawings, in which preferred embodiments are shown. Show it:
In
In der Ausführungsform als Photovoltaik-Modul kann der transparente Verguss
Auf der Rückseite der elektronischen Bauteile
Insbesondere bei der Ausführungsform des Paneels in Form eines Photovoltaik-Moduls ist zu beachten, dass nicht nur die thermische Energie als zu berücksichtigende physikalische Größe vorliegt sondern immer auch die elektrische Energie. Daher ist an der Rückseite des elektrisch leitenden Wärmeleiters
Als letzte Schicht weist der Aufbau einen stabilen Wärmeleiter
In
In
Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass das Kühlwasserreservoir unerschöpflich ist, wobei keine zusätzliche thermische Energie ins Meer abgegeben wird. Zudem ist der Energieaufwand für das Kühlen minimal, da die Pumpleistung pro Floß mit der beispielhaften Größe von 100 m2 bei ca. 500 W liegt.An advantage of this embodiment is that the cooling water reservoir is inexhaustible, with no additional thermal energy being released into the sea. In addition, the energy required for cooling is minimal, since the pump power per raft with the exemplary size of 100 m 2 is about 500 W.
In den
Der besondere Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass die Wüstenfläche genutzt werden kann. In diesem Einsatzgebiet kann prinzipiell viel Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt werden, wobei die große Hitze sich jedoch negativ auf die elektrische Leistung der Photovoltaik-Module P auswirkt. Durch die Kühlung wird dieser Effekt kompensiert.The particular advantage of this embodiment is that the desert area can be used. In principle, a lot of solar energy can be converted into electrical energy in this application area, although the great heat has a negative effect on the electrical power of the photovoltaic modules P. Cooling compensates for this effect.
Eine transparente Vergussschicht
Die
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