JP2022103404A - 太陽光を利用するシステム - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2016年4月7日に出願された米国仮出願第62/319,721号に基づき、その出願日の利益を享受する。この出願は、参照することによりその内容全体が本明細書に組み込まれる。
体116は、多孔質光吸収材料層152の上部表面154の全幅Wにわたって均一に分布してもよい。第2の流体流路の第2の部分164に沿って移動するときに、熱吸収流体116は、多孔質光吸収材料層152の上部表面154に沿って熱を収集してもよい。したがって、第2の流体流路の第2の部分164端部における熱吸収流体116の温度は、入口120における熱吸収流体116の初期温度よりも高いだけでなく、第2の流体流路の第1の部分160の端部における熱吸収流体116の温度よりも高い可能性がある。
材料
上記の図1~図5に関連して説明した太陽熱ユニットの特定の実施形態は、熱吸収流体として空気、具体的には周囲空気を使用する。周囲空気は、通常、酸素および窒素を含む気体成分の混合物を含有する。他の実施形態では、気体状または液体状のいずれかであってよい他の熱吸収流体を使用することができる。他の熱吸収流体のいくつかの非限定的な例としては、水、ヘリウム、アルゴン、水、蒸気、およびこれらの成分の互いのまたは他の成分との混合物が挙げられる。
熱伝達および吸収
計算シミュレーションツールは、太陽熱ユニットの熱伝達を説明する完全な連立方程式を解くために開発された。方程式は、解が収束するまで反復的にシステム内の各構成部品について同時に解かれる。構成部品は、ソーラーユニット内の材料のあるセクション、またはキャリア流体のあるセクションであり得る。
はキャリア流体の質量流量である。太陽束から吸収されるがキャリア流体に伝達されない残りのエネルギーは、外部表面(典型的にはガラスの上部ペインおよび断熱材の外部)から周囲への放射熱および対流熱の伝達によって環境に伝達される。
流体流れおよび圧力低下
本技術の太陽熱ユニットの効率および電力使用は、各流体経路を通る熱吸収流体の流れと、ユニット内の任意の流体経路全体の圧力低下とによって影響を受ける可能性がある。
グレージング間の距離を設定するためのクエットの流れ(平行平板間の定常流):
厚さ(m、変動する場合、最初および最後)であり、wは断面の幅(m)であり、tは多孔質領域の厚さ(m)であり、kは多孔質熱吸収層の拡散係数(m2/s)であり、ρは流体の密度(kg/m3)であり、υは流体の速度(m/s)であり、Aは流体が通過する面積である。
効率=(熱出力+電力)/(日射×パネル面積)
ここでは、式(1)の分子を使用して熱出力を計算し、PVパネルによって生成された電力は、次の式を使用して計算する。
電力=ボルト×アンペア
さらに、日射は、試験中にパネル上に置かれた全天日射計から直接測定され、パネル面積は2.92m2に等しい。
本技術の太陽熱ユニットは、住宅用途、商業用途、および産業用途を含む多くの用途に使用されてもよい。例えば、本技術の太陽熱ユニットは、空気および/または水の住居用加熱に使用されてもよく、ならびに住宅用建物の屋根または住宅用建物の近くの地面に設置されてもよい。別の例として、本技術の太陽熱ユニットは、空気または他の任意の熱吸収流体の加熱が所望される任意の商業用途または工業用途に使用されてもよい。少なくとも1つの例では、本技術の太陽熱ユニットは、その全体が参照することにより本明細書に組み込まれる2015年4月10日出願の米国仮特許出願第62/145995号に記載されているシステムのような、空気から液体の水を生成するシステムの熱ユニットとして使用されてもよい。
A1.外側表面および内側表面を有する第1のグレージング層と、
前記第1のグレージング層の下にあり、前記第1のグレージング層から離れており、上部表面、厚さ、および底部表面を有する、第1の多孔質光吸収材料層と、
前記第1のグレージング層の前記内側表面に沿って、次に前記第1の多孔質光吸収材料層の前記厚さを通って出口へと流れる第1の流体流路と、
前記第1の流体流路に沿って流れ、前記第1のグレージング層の前記内側表面に沿って、かつ前記多孔質光吸収材料層から熱を収集するように構成される、熱吸収流体とを備える、太陽熱ユニット。
前記第1の流体流路は、前記第1のグレージング層の前記内側表面と前記間隙層の前記上部表面との間の前記第1のグレージング層の前記内側表面に沿って流れ、次に、前記間隙層の前記底部表面と前記第1の多孔質光吸収材料層の前記上部表面との間から、前記第1の多孔質光吸収材料層の前記厚さを通って出口へと流れる、項A1に記載の太陽熱ユニット。
A4.前記第1の間隙層はPVパネルおよびグレージングを備える、項A1に記載の太陽熱ユニット。
A5.前記第1の多孔質光吸収材料層の下にあり、前記第1の多孔質光吸収材料層から離れている断熱層をさらに備え、前記断熱層は、前記第1の流体流路が前記出口まで沿って流れる第1の流れチャネルを提供するように構成される、項A1に記載の太陽熱ユニット。
前記第2のグレージング層の下にあり、前記第2のグレージング層から離れており、上部表面、厚さ、および底部表面を有する、第2の多孔質光吸収材料層と、
前記第2のグレージング層の前記内側表面に沿って、次に前記第2の多孔質光吸収材料層の前記厚さを通って前記出口へと流れる第2の流体流路と
をさらに備える、項A1に記載の太陽熱ユニット。
前記第2の流体流路は、前記第2のグレージング層の前記内側表面と前記間隙層の前記上部表面との間の前記第2のグレージング層の前記内側表面に沿って流れ、次に、前記間隙層の前記底部表面と前記第2の多孔質光吸収材料層の前記上部表面との間から、前記第2の多孔質光吸収材料層の前記厚さを通って前記出口へと流れる、項A7に記載の太陽熱ユニット。
A10.前記断熱層は、前記第2の多孔質光吸収材料層の下にあり、前記第2の多孔質光吸収材料層から離れており、前記断熱層は、前記第2の流体流路が前記出口まで沿って流れる第2の流れチャネルを提供するように構成される、項A7に記載の太陽熱ユニット。
A12.前記太陽熱ユニットが、流入する熱吸収流体を均等に分割し、前記第1の流体流路と前記第2の流体流路との間に向けるように構成される、項A7に記載の太陽熱ユニット。
A14.前記熱吸収流体は、入口を通って前記上部プレナムチャンバに流入し、前記第1の流路または前記第2の流路に沿って進む前に、前記光起電力パネルから熱を収集することを特徴とする、項A13に記載の太陽熱ユニット。
前記第1のグレージング層の下にあり、前記第1のグレージング層から離れており、上部表面、厚さ、および底部表面を有する、第1の多孔質光吸収材料層と、
前記第1のグレージング層と前記第1の多孔質光吸収材料層との間の第1の間隙層であって、前記第1の間隙層は、上部表面および底部表面を備え、前記第1の間隙層の前記上部表面は、前記第1のグレージング層の前記内側表面の下にあり、前記第1のグレージング層の前記内側表面から離れており、前記第1の間隙層の前記底部表面は、前記第1の多孔質光吸収材料層の前記上部表面の上にあり、前記第1の多孔質光吸収材料層の前記上部表面から離れている、第1の間隙層と、
前記第1のグレージング層の前記内側表面に沿って、次に前記第1の多孔質光吸収材料層の前記厚さを通って出口へと流れる第1の流体流路と、
前記第1の流体流路に沿って流れる熱吸収流体とを備える、太陽熱ユニット。
A17.内側表面、入口および前記出口を備えた入口プレナムと、
前記入口プレナムと前記第1の多孔質光吸収材料層との間にあり、上部表面および底部表面を有する断熱層とをさらに備える、項A15に記載の太陽熱ユニット。
A18.前記第1の流体流路は、前記入口プレナムの前記内側表面と前記断熱層の前記底部表面との間の前記入口から流れ、次に、前記第1のグレージング層の前記内側表面に沿って、それから前記第1の多孔質光吸収材料層の前記厚さを通って出口へと流れることを特徴とする、項A17に記載の太陽熱ユニット。
前記第1のグレージング層と前記第2の多孔質光吸収材料層との間の第2の間隙層であって、前記第2の間隙層は、上部表面および底部表面を備え、前記第2の間隙層の前記上部表面は、前記第1のグレージング層の前記内側表面の下にあり、前記第1のグレージング層の前記内側表面から離れており、前記第2の間隙層の前記底部表面は、前記第2の多孔質光吸収材料層の前記上部表面の上にあり、前記第2の多孔質光吸収材料層の前記上部表面から離れている、第2の間隙層と、
前記第1のグレージング層の前記内側表面に沿って、次に前記第2の多孔質光吸収材料層の前記厚さを通って前記出口へと流れる第2の流体流路と、
前記熱吸収流体を分割して、前記第1の流体流路および前記第2の流体流路に沿って流れるように構成された入口とをさらに備える、項A15に記載の太陽熱ユニット。
前記グレージング層の下方において前記グレージング層から離れて設けられる第1の多孔質光吸収材料層であって、第1の流体流路が前記グレージング層と当該第1の多孔質光吸収材料層との間に形成される、第1の多孔質光吸収材料層と、
前記グレージング層の下方において前記グレージング層から離間して設けられる第2の多孔質光吸収材料層であって、第2の流体流路が前記グレージング層と当該第2の多孔質光吸収材料層との間に形成される、第2の多孔質光吸収材料層と、
前記第1の流体流路と前記第2の流体流路との間で熱吸収流体を分割するように構成されている入口とを備える、太陽熱ユニット。
B3.前記グレージング層と前記第1の多孔質光吸収材料層との間において、前記グレージング層および前記第1の多孔質光吸収材料層から離間して設けられる第1の間隙層と、
前記グレージング層と前記第2の多孔質光吸収材料層との間において、前記グレージング層および前記第2の多孔質光吸収材料層から離間して設けられる第2の間隙層とをさらに備える、項B1またはB2に記載の太陽熱ユニット。
B5.前記第1の間隙層および前記第2の間隙層の少なくとも一方が、光起電力パネルおよびグレージングを備える、項B3またはB4に記載の太陽熱ユニット。
前記第2の多孔質光吸収材料層の少なくとも一部が、第2の断熱層と前記グレージング層との間において、前記第2の断熱層および前記グレージング層から離間して設けられる、項B1~B5のいずれか一項に記載の太陽熱ユニット。
前記第2の断熱層が第2の底部および第2の側壁を備える、項B6に記載の太陽熱ユニット。
B8.前記グレージング層の少なくとも一部と、前記第1の底部と、前記第1の側壁とが第1の密閉された流れチャンバを形成し、
前記グレージング層の少なくとも一部と、前記第2の底部と、前記第2の側壁とが第2の密閉された流れチャンバを形成する、項B7に記載の太陽熱ユニット。
B10.前記プレナムは、前記入口と、プレナムカバーと、前記プレナムカバーの下方の上部プレナムチャンバとをさらに備え、
前記プレナムカバーが光起電力パネルを備える、項B9に記載の太陽熱ユニット。
B12.前記第1の流体流路が、前記熱吸収流体を、前記入口から、前記グレージング層の内側表面と前記第1の間隙層の上部表面とに沿って、前記第1の間隙層の底部表面と前記第1の多孔質光吸収材料層の上部表面とに沿って、前記第1の多孔質光吸収材料層を通って、出口へ導くように構成されており、
前記第2の流体流路が、前記熱吸収流体を、前記入口から、前記グレージング層の内側表面と前記第2の間隙層の上部表面とに沿って、前記第2の間隙層の底部表面と前記第2の多孔質光吸収材料層の上部表面とに沿って、前記第2の多孔質光吸収材料層を通って、前記出口へ導くように構成されている、項B3~B5のいずれか一項に記載の太陽熱ユニット。
前記グレージング層の下方において、前記グレージング層から離間して設けられる第1の多孔質光吸収材料層と、
前記グレージング層と前記第1の多孔質光吸収材料層との間において、前記グレージング層および前記第1の多孔質光吸収材料層から離間して設けられる第1の間隙層と、
熱吸収流体の第1部分を、前記グレージング層の内側表面に沿って、前記第1の多孔質光吸収材料層を通って出口へ導く第1の流体流路と、
前記グレージング層の下方において、前記グレージング層から離間して設けられている第2の多孔質光吸収材料層と、
前記グレージング層と前記第2の多孔質光吸収材料層との間において、前記グレージング層および前記第2の多孔質光吸収材料層から離間して設けられる第2の間隙層と、
前記熱吸収流体の第2部分を、前記グレージング層の前記内側表面に沿って、前記第2の多孔質光吸収材料層を通って出口へ導く第2の流体流路と、
前記第1の流体流路と前記第2の流体流路との間で前記熱吸収流体を分割するように構成されている入口とを備える、太陽熱ユニット。
B15.前記第1の多孔質光吸収材料層および前記第2の多孔質光吸収材料層を少なくとも部分的に取り囲むように構成されている入口プレナムをさらに備え、
前記入口プレナムが、前記入口と前記出口と内側表面とを備える、項B13または14に記載の太陽熱ユニット。
B17.前記断熱層が、上部表面、底部表面、第1の側壁および第2の側壁を備える、項B16に記載の太陽熱ユニット。
前記入口から、
前記入口プレナムの前記内側表面と前記断熱層の前記底部表面との間を通り、
前記入口プレナムの前記内側表面と前記断熱層の前記第1の側壁との間を通り、
前記グレージング層と前記第1の間隙層との間を通り、
前記第1の間隙層および前記第2の間隙層の間に設けられる第1の移行部を通り、
前記第1の間隙層と前記第1の多孔質光吸収材料層との間を通り、
前記第1の多孔質光吸収材料層を通り、
前記第1の多孔質光吸収材料層と前記断熱層の前記上部表面との間を通り、
前記出口へ導くように構成されている、項B17に記載の太陽熱ユニット。
前記入口から、
前記入口プレナムの前記内側表面と前記断熱層の前記底部表面との間を通り、
前記入口プレナムの前記内側表面と前記断熱層の前記第2の側壁との間を通り、
前記グレージング層と前記第2の間隙層との間を通り、
前記第1の移行部を通り、
前記第2の間隙層と前記第2の多孔質光吸収材料層の間を通り、
前記第2の多孔質光吸収材料層を通り、
前記出口へ導くように構成されている、項B18に記載の太陽熱ユニット。
前記透明層の下方において前記透明層から離間して設けられる第1の多孔質光吸収材料層であって、第1の流体流路が前記透明層と当該第1の多孔質光吸収材料層との間に形成される、第1の多孔質光吸収材料層と、
前記透明層の下方において前記透明層から離間して設けられる第2の多孔質光吸収材料層であって、第2の流体流路が前記透明層と当該第2の多孔質光吸収材料層との間に形成される、第2の多孔質光吸収材料層とを備える太陽熱ユニットであって、
当該太陽熱ユニットが、前記第1の流体流路と前記第2の流体流路との間で熱吸収流体を分割するように構成されており、
前記第1の流体流路は、前記透明層の内側表面から前記熱吸収流体が熱を収集し、次に、前記第1の多孔質光吸収材料層および前記第2の多孔質光吸収材料層の少なくとも一方から前記熱吸収流体が熱を収集するように、前記熱吸収流体を導く、太陽熱ユニット。
前記透明層と前記第2の多孔質光吸収材料層との間において、前記透明層および前記第2の多孔質光吸収材料層から離間して設けられる第2の間隙層とをさらに備える、項C1に記載の太陽熱ユニット。
C4.前記第1の多孔質光吸収材料層の少なくとも一部が、第1の断熱層と前記透明層との間において、前記第1の断熱層および前記透明層から離間して設けられ、
前記第2の多孔質光吸収材料層の少なくとも一部が、第2の断熱層と前記透明層との間において、前記第2の断熱層および前記透明層から離間して設けられる、項C1~C3のいずれか一項に記載の太陽熱ユニット。
前記第2の断熱層が第2の底部および第2の側壁を備える、項C4に記載の太陽熱ユニット。
C6.前記第1の多孔質光吸収材料層と前記第2の多孔質光吸収材料層との間に設けられる流体分離部をさらに備え、
前記流体分離部は、前記第1の流体流路および前記第2の流体流路の間で前記熱吸収流体を分配して、当該太陽熱ユニット全体の圧力降下のバランスをとるように構成されている、項C1~C5のいずれか一項に記載の太陽熱ユニット。
前記流体分離部カバーが光起電力パネルを備える、項C6に記載の太陽熱ユニット。
C8.前記熱吸収流体は、前記第1の流体流路または前記第2の流体流路に沿って進む前に、前記入口を通って前記上部流体分離部チャンバに流入し前記流体分離部カバーから熱を収集する、項C7に記載の太陽熱ユニット。
前記第2の流体流路が、前記熱吸収流体を、前記透明層の前記内側表面と前記第2の間隙層の上部表面とに沿って、前記第2の間隙層の底部表面と前記第2の多孔質光吸収材料層の上部表面とに沿って、前記第2の多孔質光吸収材料層を通って、前記出口へ導くように構成されている、項C2またはC3に記載の太陽熱ユニット。
前記透明層の下方において、前記透明層から離間して設けられる第1の多孔質光吸収材料層と、
前記透明層と前記第1の多孔質光吸収材料層との間において、前記透明層および前記第1の多孔質光吸収材料層から離間して設けられる第1の間隙層と、
熱吸収流体を、前記透明層の内側表面および前記第1の間隙層の上部表面に沿って、次に、前記第1の多孔質光吸収材料層を通って出口へ導くように構成されている第1の流体流路とを備え、
前記熱吸収流体が、前記第1の多孔質光吸収材料層を通って流れる前に、前記透明層の前記内側表面および前記第1の間隙層から熱を収集する、太陽熱ユニット。
C12.前記透明層の下方において、前記透明層から離間して設けられる第2の多孔質光吸収材料層と、
前記透明層と前記第2の多孔質光吸収材料層との間において、前記透明層および前記第2の多孔質光吸収材料層から離間して設けられる第2の間隙層と、
前記熱吸収流体の第2部分を、前記透明層の前記内側表面に沿って、前記第2の多孔質光吸収材料層を通って前記出口へ導くように構成されている第2の流体流路とをさらに備える、太陽熱ユニットであって、
前記太陽熱ユニットが、流入する前記熱吸収流体を前記第1の流体流路と前記第2の流体流路との間で均等に分配するように構成されており、
前記第1の多孔質光吸収材料層および前記第2の多孔質光吸収材料層を少なくとも部分的に取り囲むように構成されている流体分離部をさらに備え、
前記流体分離部が、入口と前記出口と内側表面とを備える、項C10またはC11に記載の太陽熱ユニット。
C14.前記断熱層が、上部表面、底部表面、第1の側壁および第2の側壁を備える、項C13に記載の太陽熱ユニット。
前記入口から、
前記流体分離部の前記内側表面と前記断熱層の前記底部表面との間を通り、
前記流体分離部の前記内側表面と前記断熱層の前記第1の側壁との間を通り、
前記透明層と前記第1の間隙層との間を通り、
前記第1の間隙層および前記第2の間隙層の間に設けられる第1の移行部を通り、
前記第1の間隙層と前記第1の多孔質光吸収材料層との間を通り、
前記第1の多孔質光吸収材料層を通り、
前記第1の多孔質光吸収材料層と前記断熱層の前記上部表面との間を通り、
前記出口へ導くように構成されており、
前記第2の流体流路が、前記熱吸収流体を、
前記入口から、
前記流体分離部の前記内側表面と前記断熱層の前記底部表面との間を通り、
前記流体分離部の前記内側表面と前記断熱層の前記第2の側壁との間を通り、
前記透明層と前記第2の間隙層との間を通り、
前記第1の移行部を通り、
前記第2の間隙層と前記第2の多孔質光吸収材料層の間を通り、
前記第2の多孔質光吸収材料層を通り、
前記出口へ導くように構成されている、項C14に記載の太陽熱ユニット。
C17.太陽熱ユニットを備える水生成システムであって、
前記太陽熱ユニットが、
太陽光が透過する透明層と、
前記透明層の下方において前記透明層から離間して設けられる第1の多孔質光吸収材料層と、
前記透明層と前記第1の多孔質光吸収材料層との間において、前記透明層および前記第1の多孔質光吸収材料層から離間して設けられる第1の間隙層とを有し、
熱吸収流体を、前記透明層の内側表面と前記第1の間隙層の上部表面とに沿って、次に、前記第1の多孔質光吸収材料層を通って導くように構成されている第1の流体流路と、
前記第1の流体流路と流体連通する吸湿性材料と、
前記第1の流体流路における前記熱吸収流体の流量を調節するように構成されているサーキュレータと、
前記第1の流体流路から前記熱吸収流体を受け取り、受け取った前記熱吸収流体中の水蒸気を凝縮して液体の水を生成するように構成されている凝縮器とをさらに備え、
前記熱吸収流体は、前記凝縮器によって受け取られる前に、前記第1の多孔質光吸収材料層を通って流れる前に前記透明層の前記内側表面および前記第1の間隙層から熱を収集
する、水生成システム。
C19.前記第1の間隙層は、前記光起電力パネルを備える、項C18に記載の水生成システム。
C20.前記光起電力パネルが発生させる電力の量に基づいて、前記サーキュレータの速度を制御するコントローラをさらに備える、項C18またはC19に記載の水生成システム。
Claims (10)
- 太陽光が透過する透明層と、
前記透明層の下方に設けられる第1の多孔質光吸収材料層と、
前記透明層と前記第1の多孔質光吸収材料層との間に設けられる第1の間隙層と、
再生流体を、前記透明層の内側表面および前記第1の間隙層の上部表面の間を通り、次に、前記第1の多孔質光吸収材料層を通るように導くように構成されている第1の流体流路とを備え、
前記再生流体が、前記透明層から熱を収集し、次に前記第1多孔質光吸収材料層から熱を収集する、システム。 - 太陽光が透過する透明層と、
前記透明層の下方に設けられる第1の多孔質光吸収材料層と、
前記透明層と前記第1の多孔質光吸収材料層との間に設けられる第1の間隙層と、
再生流体を、前記透明層の内側表面に沿って、次に、前記第1の多孔質光吸収材料層を通るように導くように構成されている第1の流体流路と、
前記第1の流体流路と流体連通する吸湿性材料と、
前記第1の流体流路における前記再生流体の流量を調節するように構成されているサーキュレータと、
前記第1の流体流路から前記再生流体を受け取り、受け取った前記再生流体中の水蒸気を凝縮して液体の水を生成するように構成されている凝縮器とを備え、
前記再生流体は、前記凝縮器によって受け取られる前に、前記第1の多孔質光吸収材料層を通って流れる前に前記透明層の前記内側表面および前記第1の間隙層から熱を収集する、システム。 - 日内変動に応じて前記再生流路内の前記再生流体に対する前記吸湿性材料の曝露を制御するように構成されたコントローラをさらに含む、請求項2に記載のシステム。
- 前記吸湿性材料が、熱放射吸収材料と組み合わされている、請求項2または3に記載のシステム。
- 前記透明層の下方に設けられる第2の多孔質光吸収材料層と、
前記透明層と前記第2の多孔質光吸収材料層との間に設けられる第2の間隙層と、
前記再生流体の一部を、前記透明層の前記内側表面および前記第2多孔質光吸収材料層の上部表面に沿って、その後に前記第2の多孔質光吸収材料層を通って流れるように導くように構成されている第2の流体流路とをさらに備え、
前記システムが、前記再生流体を前記第1の流体流路と前記第2の流体流路とに分配するように構成されており、
前記第2の流体流路内の前記再生流体が、前記透明層から熱を収集し、次に、前記第2の多孔質光吸収材料層から熱を収集する、請求項1~4のいずれか一項に記載のシステム。 - 前記第1の間隙層は、前記システムに電力を供給する光起電力パネルを備え、前記第1流体流路が、前記再生流体を、前記光起電力パネルから熱を収集し、その後に前記第1多孔質光吸収材料層を通って流れるように導くように構成されている、請求項1~5のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記システムに電力を供給する光起電力パネルを有するプレナムをさらに含む、請求項1~6のいずれか一項に記載のシステム。
- 日射の日内変動に応じて前記システムを制御するように構成されたコントローラをさらに含む、請求項1~7のいずれか一項に記載のシステム。
- 電力を発生して前記システムの一つ以上の構成部品に電力を供給する光起電力パネルと、
前記光起電力パネルによって生成される電力の量に応じて、前記システムを制御するように構成されたコントローラと、をさらに含む、請求項1~8のいずれか一項に記載のシステム。 - 前記システムでの圧力低下のバランスをとるために、前記再生流路の複数の分流路の間に前記再生流体を分配するように構成されている、請求項1~9のいずれか一項に記載のシステム。
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