WO2013079825A1 - Héliostat sans dispositif de mémorisation ni de calcul des positions solaires - Google Patents

Héliostat sans dispositif de mémorisation ni de calcul des positions solaires Download PDF

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WO2013079825A1
WO2013079825A1 PCT/FR2012/000495 FR2012000495W WO2013079825A1 WO 2013079825 A1 WO2013079825 A1 WO 2013079825A1 FR 2012000495 W FR2012000495 W FR 2012000495W WO 2013079825 A1 WO2013079825 A1 WO 2013079825A1
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rotation
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heliostat
brightness
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Joël GILBERT
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    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S30/00—Arrangements for moving or orienting solar heat collector modules
    • F24S30/40—Arrangements for moving or orienting solar heat collector modules for rotary movement
    • F24S30/45—Arrangements for moving or orienting solar heat collector modules for rotary movement with two rotation axes
    • F24S30/458—Arrangements for moving or orienting solar heat collector modules for rotary movement with two rotation axes with inclined primary axis
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S50/00—Arrangements for controlling solar heat collectors
    • F24S50/20—Arrangements for controlling solar heat collectors for tracking
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/47—Mountings or tracking

Definitions

  • This invention relates to heliostats and more particularly to devices for positioning the mirror of a heliostat accurately with respect to the path of the sun and with respect to a target towards which the heliostat reflects solar radiation.
  • a heliostat must permanently position its mirror in relation to the sun and with respect to the target to which it must reflect solar radiation.
  • the mirror In general the mirror is rotated about two perpendicular axes, which allows it to take any position necessary to reflect the direct rays of the sun to a fixed target.
  • the frequency of the repositioning of the mirror depends on the positioning accuracy desired at each instant. The higher the instantaneous precision required, the higher the repositioning frequency of the mirror. For example, for an angular accuracy of 0.5 degrees the repositioning frequency is about 2 minutes.
  • the position given by the calculator does not take into account the inaccuracies due to the mechanics of the heliostat, such as the bending of certain mechanical parts due to the offset of the center of gravity or the wear of some parts in friction or the inaccuracy of the engines.
  • some other known devices record the movements of the heliostat during a day, then reproduce this movement the next day with some corrections made by the optical detection of the exact position of the sun.
  • the displacement of the heliostat is corrected only by taking as a reference the course of the heliostat during the previous day.
  • the heliostats known according to the state of the art require an electronic memory either to store the program of the astronomical calculator, or to memorize the multiple positions of the mirror during a day.
  • a main object of the invention is to propose a device and a logic of operation likely to overcome the aforementioned drawbacks related to known positioning devices heliostats.
  • a particular object of the invention is to propose a device and a method for accurately orienting a heliostat without the need for a computer or an electronic memory to store successive solar positions, which will also reduce the complexity and cost of the device, and increase its reliability of its operation.
  • the invention consists in providing the heliostat with an optical sensor capable of simply detecting the actual position of the sun, without calculation and without projections from solar positions previously stored, but simply by transmitting the signal from the sensor optic chosen to a control logic connected to the motors of the heliostat, and this control logic will minimize, during adjustment phases, the positioning error of the mirror. This will be tantamount to slaving the mirror's movements around its axes of rotation to the positioning error, then minimizing the positioning error until it is canceled.
  • the invention provides for maximizing the amount of light received by an optical sensor integral with the mirror, and reflected towards the target. Following an automated adjustment phase, the heliostat rotates around its main axis of rotation at a constant speed until the next phase of position adjustment.
  • the subject of the invention is therefore a heliostat comprising a mobile mirror oriented towards the sun so as to reflect solar radiation towards a target, this mirror being driven by a motor on the one hand around a first axis rotation parallel to the axis of rotation of the Earth and secondly around a second axis of rotation perpendicular to said first axis of rotation, the heliostat having a bidirectional optical sensor capable of measuring on the one hand the amount of light , or brightness, received from the sun and secondly the amount of light reflected towards the target, and said heliostat further comprising a control logic able to act on the positioning of the mirror around each axis of rotation to maximize on the one hand the amount of light received from the sun by the bidirectional sensor and on the other hand the amount of light reflected by the mirror towards the target.
  • the heliostat does not need complex memories and calculators to calculate the position of the sun, but requires a sensor optical associated with a logic circuit, for example combinatorial, to find by successive optimization tests, the optimal position of the sensor and therefore the corresponding optimum position of the mirror.
  • a first planar photovoltaic cell active on both its faces, and positioned on the heliostat so that the plane which includes said first cell also includes the first axis of rotation;
  • a second planar photovoltaic cell also active on its two faces, and positioned on the heliostat so that the plane which includes said second cell is both parallel to the first axis of rotation and perpendicular to the plane of said first cell.
  • said first and second photovoltaic cells of the bidirectional optical sensor are integral with the first axis of rotation, the position of the first cell is adjusted so that the brightness on each of its two faces is identical when the mirror is positioned so that its axis perpendicular to the plane of the mirror is aligned with the sun, and the position of the second cell is adjusted so that the brightness on each of its two faces is identical when the mirror is positioned around its second axis of rotation so that the reflected rays mirror are parallel to the first axis of rotation and directed towards the target.
  • the optical sensor thus configured, it is possible to detect the orientation of the mirror which optimizes both the light energy received from the sun, and the light energy reflected by the mirror towards the target.
  • the adjustment of the position of the first and second photovoltaic cells is performed by said control logic, which slaves the movement of the motors operating the mirror and its optical sensor around the first and second axes of rotation of the mirror. , as a function of the signal representative of the brightness picked up and reflected by the optical sensor.
  • the optical sensor delivers its signal to a comparator electronic circuit to which it is electrically connected, and which compares the brightness on each of the two faces of the two cells.
  • This comparator transmits the result of the comparison with the control logic connected to the motors operating the mirror, and this logic control the speed and direction of rotation of the motors according to the comparison. This process is iterative and is continued during a mirror positioning adjustment phase, until the comparator indicates that the opposite faces of the cells of the optical sensor are receiving the same amount of light.
  • the mirror In the case of a conventional heliostat, the mirror is driven around its first axis of rotation from East to West, and this training is done at a substantially constant speed of one revolution per day in normal operation, and at a speed slightly above or below this speed for a set period of time, under the control of said control logic.
  • the drive of the mirror around its first axis of rotation is stopped during the adjustment period to make a position correction under the control of said control logic, and the Training is simply resumed at the end of the set time.
  • control logic is thus configured to accelerate or slow down the rotation of the mirror around each axis of rotation during the adjustment period of time, until the positioning of the bidirectional optical sensor integral with the mirror is optimized.
  • control logic it is configured to execute a program comprising the steps of:
  • the signal delivered by the bidirectional optical sensor indicates a mirror positioning error along the first axis of rotation or the second axis of rotation, temporarily changing or canceling the speed of rotation of the mirror about said axis of rotation (or even temporarily stop rotation of the mirror to allow a positional catch-up), then repeat the mirror orientation test until the mirror orientation test indicates the absence of a mirror positioning error around the mirror. each axis of rotation.
  • said program is executed only after a stability test of the solar irradiance, indicating that the brightness received by the mirror is greater than the threshold of minimum brightness for a period of time greater than a predetermined time delay.
  • FIGS 1, 2 and 3 illustrate the invention.
  • FIG. 1 is a block diagram in elevation and in section of a heliostat according to the invention.
  • FIG. 2 is a perspective diagram of the bidirectional optical sensor associated with the mirror.
  • FIG. 3 is a flowchart that illustrates the basic logic of the automation or program that allows fine adjustment of the position of the mirror for optimized monitoring of the sun.
  • the heliostat of Figure 1 comprises a mirror (1) which is pivotable about two perpendicular axes of rotation: a first axis of rotation (3) whose longitudinal axis (4) is parallel to the axis of rotation of the Earth, that is to say directed towards the pole star (5), and a second axis of rotation (2) which is perpendicular to the first axis of rotation (3) and integral with him.
  • the mirror (1) is positioned so that the direct rays (7) of the sun (6) are reflected (8) continuously parallel to the same axis of direction (4) as that of the first axis of rotation (3).
  • the target (10) which is fixed is thus positioned also in the extension of this axis (4).
  • This feature requires that the tracking of the sun (6) is done on the one hand by a rotational movement from East to West of the first axis of rotation (3) with a constant speed of 23h56mn per day to follow the sun in its movement diurnal, and secondly by a rotation of the second axis of rotation (2) of plus or minus 12 degrees per year on either side of its mean position which corresponds to the position of the mirror (1) at the time of the equinoxes to follow the sun in its seasonal movement.
  • This last adjustment therefore requires a rotation of an angle of about 1 ° per week.
  • the heliostat is equipped with a bidirectional optical sensor (9) which is fixed to the first axis of rotation (3) and in the path of the reflected rays (8).
  • FIG. 2 gives a schematic representation of this bidirectional optical sensor (9) which is constituted on the one hand by a first plane photovoltaic cell C1, active on its two faces, and positioned so that the plane which includes the cell C1 also includes the first axis of rotation (3).
  • the optical sensor (9) consists of a second photovoltaic cell C2, active on both its faces, and positioned so that the plane which includes the cell C2 is both parallel to the first axis of rotation (3) and perpendicular to the plan of the cell Cl.
  • the cells C1 and C2 being photovoltaic, they deliver an electric current that represents the amount of light, or brightness that is received on each of their two faces.
  • the cells C1 and C2 being integral with the first axis (3), they rotate with the latter by following the sun (6) in its clockwise movement from East to West.
  • the cell C1 is set so that the brightness on each of its two faces is identical when the mirror (1) is correctly positioned around its first axis of rotation (3) and is facing the sun (6).
  • the cell C2 is set so that the brightness on each of its two faces is identical when the mirror (1) is positioned correctly around its second axis of rotation (2) and that the reflected rays (8) of the sun are well parallel to the first axis of rotation (3).
  • the bidirectional optical sensor (9) is electrically connected to an electronic circuit (not shown) which continuously compares the brightness on each of the faces of the two cells (C1, C2). A variation of brightness of a face with respect to its opposite face then informs about the nature of the offset that has occurred with respect to the ideal position of the mirror (1), this information is then transmitted to a logic circuit that will correct this shift by a control on the speed of rotation of the first axis (3) and / or by controlling the inclination of the mirror (1) relative to its second axis of rotation (2).
  • the device can operate for a whole day, or even for several days, without any correction of drift positioning of the mirror is necessary, and without the need for a computer or an electronic memory of solar positions.
  • This reliability is therefore statistically compatible with the operating frequency of the bidirectional optical sensor (9) which will be triggered as soon as the sunlight is sufficient and remains stable for a period of time necessary for a series of measurements.
  • the mirror (1) After the mirror (1) has been adjusted along its two axes of rotation (3,2) so that the solar radiation (7) is reflected (8) towards the target (10) positioned in the extension (4) of the first axis rotation (3), it is imposed on the first axis (3) a rotation of East to West of a turn in 23H56mn to follow the sun in its hourly movement. Then the brightness L of the sun is measured using the optical sensor (9). If this brightness is below a certain predetermined minimum threshold (LS), then the measurement is repeated until the brightness of the sun exceeds this minimum value LS.
  • This LS value is measured for example by a photovoltaic cell or by a pyranometer. It can be expressed in Lux, or milliamps produced by a photovoltaic cell.
  • a clock is triggered while continuing the measurements of brightness L. If a period of time T for example of 2 minutes flows with a brightness L remaining higher at LS, this means that the brightness of the sun is sufficiently stable to allow comparative measurements on each of the faces of the two cells C1 and C2.
  • the logic control either to increase the rotation speed of the first axis of rotation (3) if the brightness captured by CIA is greater than that of C1B, or to reduce the rotation speed of the first axis of rotation (3) if the brightness captured by CIA is lower than that of C1B.
  • a reiteration of the brightness measurement is started until the one picked up by CIA and the one picked up by C1B are equal.
  • a measurement of the brightness captured by the faces C2A and C2B of the second photovoltaic cell C2 is similarly initiated. If the brightness is different between C2A and C2B it means that there has been a drift in the tracking of the sun in its seasonal movement, so a set point is given by the control logic is to increase the inclination of the mirror (1) along its second axis of rotation (2) if the brightness of C2A is greater than that of C2B, that is, decreasing the inclination of the mirror (1) along its second axis of rotation (2) if the brightness picked up by C2A is lower than that sensed by C2B.
  • a heliostat comprises a mirror (1), a first axis of rotation (3) parallel to the axis of rotation of the Earth rotating from East to West at the constant speed of one revolution per day, a second axis of rotation (2) perpendicular and integral with the first axis of rotation (3) and a bidirectional optical sensor (9).
  • This heliostat on the one hand has no storage device or calculation of solar positions and on the other hand performs positioning corrections of the mirror (1) according to the following logic:
  • the mirror (1) is adjusted along its two axes of rotation (3,2) so that the solar radiation (7) is reflected (8) in the extension (4) of the first axis of rotation (3),
  • the bidirectional optical sensor (9) measures the brightness L of the sun
  • a clock counts a period of time T while continuing the measurements of L
  • a mirror orientation test (1) is made so that if there is a positioning error along the first axis of rotation (3), then a setpoint is given to increase or decrease the rotational speed of said axis (3), then a reiteration of the mirror orientation test (1) is made until the orientation test no longer displays an error concerning the first axis of rotation (3).
  • the mirror orientation test (1) detects a positioning error along the second axis of rotation (2), then a set point is given to increase or decrease the inclination of the mirror (1) along its second axis of rotation (2), and a reiteration of the mirror orientation test (1) is made until the orientation test no longer displays an error concerning the second axis of rotation (2).
  • the clock is reset and a new loop of measurements of time period T is started while continuing the brightness measurements L.
  • This basic flowchart can be supplemented by additional tests to further secure this positioning correction protocol, such as a test on the number of corrections per minute. If this number is too large it would mean that there is an abnormal instability of the system and then an alarm can be generated.
  • a heliostat is composed of a glass plane mirror (1) 4 mm thick and 1m x 1.50m in size mounted on a metal frame allowing the mirror (1) to be rotated along a first axis of rotation (3). inclined along the axis of rotation of the Earth (4), and a second axis of rotation (2) perpendicular and integral with the first axis (3).
  • the mirror (1) is initially set to reflect the sun rays (7) to a target (10) which is a square photovoltaic panel of 1m side.
  • the target (10) is placed in the extension of the first axis of rotation (3).
  • the rotation of the mirror (1) along its two axes is carried out using a motor and mechanical transmissions known to those skilled in the art.
  • the rotation around the first axis of rotation (3) is at a constant speed of 1 revolution in 23h56mn and the rotation along the second axis (2) is punctually made to catch the shift of the sun during its seasonal movement.
  • the control of the movements of the mirror (1) is controlled by a control circuit which contains no stored record of solar positions but continuously receives the information of a bidirectional optical sensor (9) placed in the path of the reflected solar radiation (8). ) and secured to the first axis of rotation (3).
  • the bidirectional optical sensor (9) provides a signal representative of the inclination of the light beam that it receives, in particular the inclination with respect to the first axis of rotation (3) and with respect to the second axis of rotation (2).
  • a photovoltaic cell coupled to the first axis of rotation (3) and oriented towards the sun measures the brightness L of the sun.
  • a clock measures a period of time T equal to 2 mn while continuing the measurements of L.
  • a mirror orientation test (1) is requested to the bidirectional optical sensor (9) so that if there is a positioning error along the first axis rotation (3), a set point is given for increasing, canceling, or decreasing the rotational speed of said axis (3), then a reiteration of the mirror orientation test (1) is made until the test of The orientation no longer displays an error concerning the first axis of rotation (3).
  • the orientation test of the mirror (1) detects a positioning error along the second axis of rotation (2), a set point is given to increase or decrease the inclination of the mirror (1) along its second axis of rotation (2), then a reiteration of the mirror orientation test (1) is made until the orientation test no longer displays an error concerning the second axis of rotation (2).
  • the mirror (1) remains permanently positioned so as to reflect the solar radiation towards the target (10).
  • the mirror (1) continues to rotate with the same speed as the sun (1 turn in 23h56mn) until the sun reappears with sufficient brightness (L> LS) to allow a positioning measurement and possibly a correction.
  • the invention makes it possible for a heliostat to simplify its sun tracking protocol and to become independent of any solar position memorization and / or independent of any astronomical calculation system, which brings a certain gain in terms of cost and reliability.

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Abstract

La présente invention décrit un héliostat qui ne possède aucun calculateur ni aucune mémoire électronique de positions solaires, ce qui simplifie le dispositif de poursuite du soleil et le rend plus fiable. Cet héliostat comprend d'une part un premier axe de rotation (3) qui est parallèle à l'axe de rotation de la Terre (4) et qui tourne d'un tour en 23h56mn; un deuxième axe de rotation (2) et un miroir (1) réglé pour réfléchir le rayonnement solaire (7) suivant le premier axe de rotation (3); et d'autre part un capteur optique couplé à une logique de correction basée sur la variation de la vitesse de rotation du premier axe (3) et l'inclinaison du deuxième axe de rotation (2).

Description

Héliostat sans dispositif de mémorisation ni de calcul des
positions solaires
Cette invention concerne les héliostats et plus particulièrement les dispositifs qui permettent de positionner le miroir d'un héliostat avec précision par rapport à la course du soleil et par rapport à une cible vers laquelle l'héliostat réfléchit le rayonnement solaire.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Un héliostat doit positionner en permanence son miroir par rapport au soleil et par rapport à la cible vers laquelle il doit réfléchir le rayonnement solaire. En général le miroir est mis en rotation autour de deux axes perpendiculaires, ce qui lui permet de prendre toutes les positions nécessaires pour réfléchir les rayons directs du soleil vers une cible fixe.
Compte tenu du déplacement apparent-du soleil, la position exacte du miroir doit être corrigée en permanence. Plus exactement, la fréquence du repositionnement du miroir dépend de la précision de positionnement désirée à chaque instant. Plus la précision instantanée demandée est grande, et plus la fréquence de repositionnement du miroir doit être élevée. Par exemple pour une précision angulaire de 0,5 degré la fréquence de repositionnement est d'environ 2 minutes.
D'autre part, pour positionner correctement le miroir, il est nécessaire de connaître avec précision la position relative du soleil et de la cible. Pour cela il existe dans l'état de la technique, des calculateurs astronomiques qui fournissent la position exacte du soleil pour une date et une heure données. Cette position est donnée par exemple en hauteur par rapport à l'horizon et en degrés d'angle par rapport au Sud. Deux moteurs font pivoter le miroir de l'héliostat suivant ses deux axes de rotation pour se positionner correctement dès la réception des coordonnées du soleil fournies par le calculateur. D'autres systèmes connus plus perfectionnés possèdent, en plus des calculateurs astronomiques, un dispositif optique ou électronique pour détecter la position exacte du soleil. Cette position exacte permet alors de corriger et d'affiner la position du soleil donnée par le calculateur. En effet la position donnée par le calculateur ne tient pas compte des imprécisions dues à la mécanique de l'heliostat, comme la flexion de certaines pièces mécaniques due au déport du centre de gravité ou l'usure de certaines parties en frottement ou encore l'imprécision des moteurs. Afin de simplifier la logique de poursuite du soleil, certains autres dispositifs connus enregistrent les déplacements de l'héliostat au cours d'une journée, puis reproduisent ce déplacement la journée suivante avec quelques corrections apportées par la détection optique de la position exacte du soleil. Ainsi de jour en jour le déplacement de l'héliostat se corrige uniquement en prenant comme référence le parcours de l'héliostat durant le jour précédent.
Dans tous les cas précités, les héliostats connus selon l'état de la technique ont besoin d'une mémoire électronique soit pour stocker le programme du calculateur astronomique, soit pour mémoriser les multiples positions du miroir au cours d'une journée.
Quelques systèmes connus sont basés sur le fait de n'utiliser que la détection optique de la position solaire pour orienter l'héliostat, mais ce principe a été souvent abandonné du fait de la situation aléatoire correspondant à une succession de plusieurs journées sans soleil, c'est-à-dire avec le soleil caché en permanence par des nuages durant plusieurs jours de suite. En outre, ces systèmes connus nécessitaient jusqu'à présent une électronique complexe pour rechercher la position exacte du soleil sur la voûte céleste, c'est-à-dire sur une fenêtre de plus de 180° de large et 48° de hauteur. BUT DE L'INVENTION
Un but principal de l'invention est de proposer un dispositif et une logique de fonctionnement susceptible de remédier aux inconvénients précités liés aux dispositifs connus de positionnement des héliostats.
Un but particulier de l'invention est de proposer un dispositif et un procédé permettant d'orienter avec précision un héliostat sans le besoin d'un calculateur ni d'une mémoire électronique pour stocker des positions solaires successives, ce qui permettra en outre de réduire la complexité et le coût du dispositif, et d'augmenter sa fiabilité de son fonctionnement.
RESUME DE L'INVENTION
Dans son principe, l'invention consiste à doter l'héliostat d'un capteur optique capable de détecter simplement la position réelle du soleil, sans calcul et sans projections à partir de positions solaires préalablement mémorisées, mais simplement en transmettant le signal issu du capteur optique choisi à une logique de commande reliée aux moteurs de l'héliostat, et cette logique de commande va minimiser, pendant des phases de réglage, l'erreur de positionnement du miroir. Cela équivaudra à asservir les mouvements du miroir autour de ses axes de rotation à l'erreur de positionnement, puis à minimiser l'erreur de positionnement jusqu'à l'annuler. Pour minimiser l'erreur de positionnement du miroir, l'invention prévoit de maximiser la quantité de lumière reçue par un capteur optique solidaire du miroir, et réfléchie vers la cible. Suite à une phase de réglage automatisée, l'héliostat tourne autour de son axe de rotation principal à vitesse constante, jusqu'à la prochaine phase de réglage de position.
De façon plus précise, l'invention a donc pour objet un héliostat comprenant un miroir mobile orienté vers le soleil de façon à réfléchir le rayonnement solaire vers une cible, ce miroir étant entraîné par un moteur d'une part autour d'un premier axe de rotation parallèle à l'axe de rotation de la Terre et d'autre part autour d'un deuxième axe de rotation perpendiculaire audit premier axe de rotation, cet héliostat comportant un capteur optique bidirectionnel apte à mesurer d'une part la quantité de lumière, ou luminosité, reçue en provenance du soleil et d'autre part la quantité de lumière réfléchie vers la cible, et ledit héliostat comportant en outre une logique de commande apte à agir sur le positionnement du miroir autour de chaque axe de rotation afin de maximiser d'une part la quantité de lumière reçue du soleil par le capteur bidirectionnel et d'autre part la quantité de lumière réfléchie par le miroir en direction de la cible.
Grâce à ce principe simple, l'héliostat n'a pas besoin de mémoires et de calculateurs complexes pour calculer la position du soleil, mais nécessite un capteur optique associé à un circuit logique, par exemple combinatoire, pour trouver par des tests successifs d'optimisation, la position optimale du capteur et par conséquent la position optimale correspondante du miroir.
L'héliostat selon l'invention est caractérisé notamment par le fait que le capteur optique bidirectionnel comporte :
- une première cellule photovoltaïque plane, active sur ses deux faces, et positionnée sur l'héliostat de sorte que le plan qui inclut ladite première cellule inclut également le premier axe de rotation ;
- une seconde cellule photovoltaïque plane, également active sur ses deux faces, et positionnée sur l'héliostat de sorte que le plan qui inclut ladite seconde cellule est à la fois parallèle au premier axe de rotation et perpendiculaire au plan de ladite première cellule.
En outre, lesdites première et seconde cellules photovoltaïques du capteur optique bidirectionnel sont solidaires du premier axe de rotation, la position de la première cellule est réglée pour que la luminosité sur chacune de ses deux faces soit identique lorsque le miroir est positionné de façon que son axe perpendiculaire au plan du miroir soit aligné avec soleil, et la position de la seconde cellule est réglée pour que la luminosité sur chacune de ses deux faces soit identique lorsque le miroir est positionné autour de son deuxième axe de rotation de façon que les rayons réfléchis par le miroir soient parallèles au premier axe de rotation et dirigés vers la cible.
Grâce au capteur optique ainsi configuré, il est possible de détecter l'orientation du miroir qui optimise à la fois l'énergie lumineuse reçue de la part du soleil, et l'énergie lumineuse réfléchie par le miroir vers la cible.
Selon l'invention, le réglage de la position de la première et de la seconde cellules photovoltaïques est effectué par ladite logique de commande, qui asservit le mouvement des moteurs actionnant le miroir et son capteur optique autour des premier et second axes de rotation du miroir, en fonction du signal représentatif de la luminosité captée et réfléchie par le capteur optique.
A cet effet, le capteur optique délivre son signal à un circuit électronique comparateur auquel il est branché électriquement, et qui compare la luminosité sur chacune des deux faces des deux cellules. Ce comparateur transmet le résultat de la comparaison au circuit logique de commande connecté aux moteurs actionnant le miroir, et ce circuit logique commande la vitesse et le sens de rotation des moteurs en fonction de la comparaison. Ce processus est itératif et est continué pendant une phase de réglage de positionnement du miroir, jusqu'à ce que le comparateur indique que les faces opposées des cellules du capteur optique reçoivent la même quantité de lumière.
Dans le cas d'un héliostat classique, le miroir est entraîné autour de son premier axe de rotation d'Est en Ouest, et cet entraînement se fait à la vitesse sensiblement constante d'un tour par jour en fonctionnement normal, et à une vitesse légèrement supérieure ou légèrement inférieure à cette vitesse pendant un laps de temps de réglage, sous le contrôle de ladite logique de commande.
Selon une variante encore plus simple et efficace, l'entraînement du miroir autour de son premier axe de rotation est arrêté pendant le laps de temps de réglage afin d'effectuer un rattrapage de position sous le contrôle de ladite logique de commande, et l'entraînement est simplement repris à la fin du laps de temps de réglage.
Pour optimiser le positionnement du miroir en fonction du rayonnement reçu du soleil et du rayonnement réfléchi vers la cible, la logique de commande est donc configurée pour accélérer ou ralentir la rotation du miroir autour de chaque axe de rotation pendant le laps de temps de réglage, jusqu'à ce que le positionnement du capteur optique bidirectionnel solidaire du miroir soit optimisé.
Dans un mode de réalisation avantageux de ladite logique de commande, celle-ci est configurée pour exécuter un programme comportant des étapes consistant à :
- régler sensiblement la position du miroir suivant ses deux axes de rotation pour que le rayonnement solaire reçu par le miroir soit réfléchi dans le prolongement du premier axe de rotation et en direction de la cible;
- à l'aide du capteur optique bidirectionnel, mesurer la luminosité du soleil et réitérer cette mesure jusqu'à ce que la luminosité mesurée soit supérieure à un seuil prédéterminé de luminosité minimale;
- lorsque la luminosité mesurée est supérieure au seuil de luminosité minimale, tester l'orientation du miroir en fonction du signal délivré par le capteur optique bidirectionnel;
- si le signal délivré par le capteur optique bidirectionnel indique une erreur de positionnement du miroir suivant le premier axe de rotation ou le second axe de rotation, modifier temporairement ou annuler la vitesse de rotation du miroir autour dudit axe de rotation (voire même arrêter temporairement la rotation du miroir pour laisser s'effectuer un rattrapage de position), puis réitérer le test d'orientation du miroir jusqu'à ce que le test d'orientation du miroir indique l'absence d'une erreur de positionnement du miroir autour de chaque axe de rotation.
Selon une variante préférée, ledit programme n'est exécuté qu'après un test de stabilité de l'éclairement solaire, indiquant que la luminosité reçue par le miroir est supérieure au seuil de luminosité minimale pendant un laps de temps supérieur à une temporisation prédéterminée. Cela permet d'éviter qu'un réglage de positionnement du miroir soit entrepris alors que le soleil n'est pas suffisamment apparent pour procéder à un réglage fin de la course du miroir.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Les figures 1, 2 et 3 illustrent l'invention.
- La figure 1 est un schéma de principe en élévation et en coupe d'un héliostat suivant l'invention.
- La figure 2 est un schéma en perspective du capteur optique bidirectionnel associé au miroir.
- La figure 3 est un organigramme qui illustre la logique de base de l'automatisme ou du programme qui permet le réglage fin de la position du miroir pour un suivi optimisé du soleil.
On se réfère à la figure 1. L'héliostat de la figure 1 comprend un miroir (1) qui peut pivoter autour de deux axes de rotation perpendiculaires: un premier axe de rotation (3) dont l'axe longitudinal (4) est parallèle à l'axe de rotation de la Terre, c'est-à-dire dirigé vers l'étoile polaire (5), et un deuxième axe de rotation (2) qui est perpendiculaire au premier axe de rotation (3) et solidaire avec lui.
Le miroir (1) est positionné de sorte que les rayons directs (7) du soleil (6) se réfléchissent (8) en permanence parallèlement au même axe de direction (4) que celui du premier axe de rotation (3). La cible (10) qui est fixe est donc positionnée également dans le prolongement de cet axe (4). Cette particularité nécessite que le suivi du soleil (6) se fasse d'une part par un mouvement de rotation d'Est en Ouest du premier axe de rotation (3) avec une vitesse constante de 23h56mn par jour pour suivre le soleil dans son mouvement diurne, et d'autre part par une rotation du deuxième axe de rotation (2) de plus ou moins 12 degrés par an de part et d'autre de sa position moyenne qui correspond à la position du miroir (1) au moment des équinoxes, cela pour suivre le soleil dans son déplacement saisonnier. Ce dernier réglage nécessite donc une rotation d'un angle d'environ 1° par semaine.
Ces deux particularités, à savoir un premier axe dont la vitesse de rotation est constante et égale à 360° par jour, et un second axe dont la rotation est extrêmement lente (en moyenne 0,14° par jour), va permettre un suivi précis du soleil sans calculateur ni mémoire électronique. Pour cela l'héliostat est équipé d'un capteur optique bidirectionnel (9) qui est fixé au premier axe de rotation (3) et sur le trajet des rayons réfléchis (8).
La figure 2 donne une représentation schématique de ce capteur optique bidirectionnel (9) qui est constitué d'une part par une première cellule photovoltaïque plane Cl, active sur ses deux faces, et positionnée de sorte que le plan qui inclut la cellule Cl inclut également le premier axe de rotation (3). Le capteur optique (9) est constitué d'une seconde cellule photovoltaïque C2, active sur ses deux faces, et positionnée de sorte que le plan qui inclut la cellule C2 est à la fois parallèle au premier axe de rotation (3) et perpendiculaire au plan de la cellule Cl.
Les cellules Cl et C2 étant photovoltaïques, elles délivrent un courant électrique qui représente la quantité de lumière, ou luminosité qui est reçue sur chacune de leurs deux faces.
Les cellules Cl et C2 étant solidaires du premier axe (3), elles tournent avec ce dernier en suivant le soleil (6) dans son mouvement horaire d'Est en Ouest. La cellule Cl est réglée pour que la luminosité sur chacune de ses deux faces soit identique lorsque le miroir (1) est positionné correctement autour de son premier axe de rotation (3) et est face au soleil (6). La cellule C2 est réglée pour que la luminosité sur chacune de ses deux faces soit identique lorsque le miroir (1) est positionné correctement autour de son deuxième axe de rotation (2) et que les rayons réfléchis (8) du soleil sont bien parallèles au premier axe de rotation (3).
Le capteur optique bidirectionnel (9) est branché électriquement à un circuit électronique (non illustré) qui compare en permanence la luminosité sur chacune des faces des deux cellules (C1,C2). Une variation de luminosité d'une face par rapport à sa face opposée renseigne alors sur la nature du décalage qui s'est produit par rapport à la position idéale du miroir (1), cette information est alors transmise à un circuit logique qui va corriger ce décalage par une commande sur la vitesse de rotation du premier axe (3) et/ou par une commande de l'inclinaison du miroir (1) par rapport à son deuxième axe de rotation (2).
Mais une détection de variation de luminosité et la commande de correction correspondante de la position du miroir (1) ne peuvent être fiables que si le soleil est présent et sans variations rapides de son intensité lumineuse dues par exemple à des passages de brumes ou de nuages. Cet inconvénient est résolu par les caractéristiques inventives et nouvelles du dispositif et de sa logique opérationnelle. En effet une fois le dispositif en fonctionnement la consigne principale est celle de faire tourner le premier axe de rotation (3) avec une vitesse constante d'un tour en 23h53mn. Les seules dérives à corriger sont celles qui sont dues :
- à l'imprécision de la vitesse de rotation du premier axe (3), mais cette imprécision est très faible eu égard aux horloges électroniques existantes ;
- à l'imprécision des transmissions mécaniques, mais cette imprécision est la même que celle des héliostats connus ;
- au déplacement saisonnier du soleil, soit 0,14 degré par jour, ce qui ne nécessitera qu'une correction par jour si la précision demandée est inférieure à cette valeur.
Ainsi le dispositif pourra fonctionner durant une journée entière, voire durant plusieurs jours, sans qu'aucune correction de dérives de positionnement du miroir ne soit nécessaire, et sans la nécessité d'un calculateur ni d'une mémoire électronique de positions solaires. Cette fiabilité est donc statistiquement compatible avec la fréquence de fonctionnement du capteur optique bidirectionnel (9) qui se déclenchera dès que l'ensoleillement sera suffisant et reste stable durant un laps de temps nécessaire à une série de mesures.
Le programme de fonctionnement mis en œuvre par la logique de commande est illustré par l'organigramme de la figure 3.
Après que le miroir (1) ait été réglé suivant ses deux axes de rotation (3,2) pour que le rayonnement solaire (7) soit réfléchi (8) vers la cible (10) positionnée dans le prolongement (4) du premier axe de rotation (3), on impose au premier axe (3) une rotation d'Est en Ouest d'un tour en 23H56mn afin de suivre le soleil dans son mouvement horaire. Puis on mesure la luminosité L du soleil à l'aide du capteur optique (9). Si cette luminosité est inférieure à un certain seuil minimum prédéterminé (LS), alors on réitère la mesure jusqu'à ce que la luminosité du soleil dépasse cette valeur minimale LS. Cette valeur LS est mesurée par exemple par une cellule photovoltaïque ou bien par un pyranomètre. Elle peut être exprimée en Lux, ou en milliampères produits par une cellule photovoltaïque.
Dès que la luminosité L du soleil est supérieure ou égale à la valeur minimale LS, une horloge se déclenche tout en continuant les mesures de luminosité L. Si un laps de temps T par exemple de 2 minutes s'écoule avec une luminosité L restant supérieure à LS, cela signifie que la luminosité du soleil est suffisamment stable pour permettre des mesures comparatives sur chacune des faces des deux cellules Cl et C2.
Si la luminosité mesurée par le capteur est différente entre les faces CIA et C1B de la première cellule photovoltaïque Cl, cela signifie qu'il y a eu une dérive dans le suivi du soleil dans son mouvement horaire, donc une consigne est donnée par la logique de commande, soit pour augmenter la vitesse de rotation du premier axe de rotation (3) si la luminosité captée par CIA est supérieure à celle de C1B, soit pour diminuer la vitesse de rotation du premier axe de rotation (3) si la luminosité captée par CIA est inférieure à celle de C1B.
Une réitération de la mesure de luminosité est lancée jusqu'à ce que celle captée par CIA et celle captée par C1B soient égales.
Puis est lancée de façon similaire une mesure de la luminosité captée par les faces C2A et C2B de la seconde cellule photovoltaïque C2. Si la luminosité est différente entre C2A et C2B cela signifie qu'il y a eu une dérive dans le suivi du soleil dans son mouvement saisonnier, donc une consigne est donnée par la logique de commande soit pour augmenter l'inclinaison du miroir (1) suivant son deuxième axe de rotation (2) si la luminosité de C2A est supérieure à celle de C2B, soit pour diminuer l'inclinaison du miroir (1) suivant son deuxième axe de rotation (2) si la luminosité captée par C2A est inférieure à celle captée par C2B.
Dès que les luminosités de C2A et C2B sont égales l'horloge est remise à zéro et une nouvelle boucle de mesures est lancée sur la luminosité L.
Donc en résumé:
- un héliostat comprend un miroir (1), un premier axe de rotation (3) parallèle à l'axe de rotation de la Terre tournant d'Est en Ouest à la vitesse constante d'un tour par jour, un deuxième axe de rotation (2) perpendiculaire et solidaire au premier axe de rotation (3) et un capteur optique bidirectionnel (9). Cet héliostat d'une part ne possède aucun dispositif de mémorisation ni de calcul de positions solaires et d'autre part effectue des corrections de positionnement du miroir (1) suivant la logique suivante :
- le miroir (1) est réglé suivant ses deux axes de rotation (3,2) pour que le rayonnement solaire (7) soit réfléchi (8) dans le prolongement (4) du premier axe de rotation (3),
- puis le capteur optique bidirectionnel (9) mesure la luminosité L du soleil
- si cette luminosité L est inférieure à un minimum LS alors on réitère la mesure de L jusqu'à ce qu'elle dépasse la valeur de LS.
- dès que la luminosité L du soleil est supérieure ou égale à LS alors une horloge comptabilise une période de temps T tout en continuant les mesures de L
- Si durant cette période de temps T on a L > LS alors un test d'orientation du miroir (1) est fait de sorte que s'il y a une erreur de positionnement suivant le premier axe de rotation (3), alors une consigne est donnée pour augmenter ou diminuer la vitesse de rotation dudit axe (3), puis une réitération du test d'orientation du miroir (1) est faite jusqu'à ce que le test d'orientation n'affiche plus d'erreur concernant le premier axe de rotation (3).
- puis si le test d'orientation du miroir (1) détecte une erreur de positionnement suivant le deuxième axe de rotation (2), alors une consigne est donnée pour augmenter ou diminuer l'inclinaison du miroir (1) suivant son deuxième axe de rotation (2), et une réitération du test d'orientation du miroir (1) est faite jusqu'à ce que le test d'orientation n'affiche plus d'erreur concernant le deuxième axe de rotation (2). - Puis l'horloge est remise à zéro et une nouvelle boucle de mesures de période de temps T est lancée tout en continuant les mesures de luminosité L.
Cet organigramme de base peut être complété par des tests complémentaires afin de sécuriser davantage ce protocole de correction de positionnement, comme par exemple un test sur le nombre de corrections par minute. Si ce nombre est trop important cela signifierait qu'il y a une instabilité anormale du système et alors une alarme pourra être générée.
EXEMPLE DE REALISATION
Un héliostat est composé d'un miroir (1) plan en verre de 4 millimètres d'épaisseur et de dimension lm x 1,50m monté sur un châssis métallique permettant la rotation du miroir (1) suivant un premier axe de rotation (3) incliné suivant l'axe de rotation de la Terre (4), et un deuxième axe de rotation (2) perpendiculaire et solidaire du premier axe (3). Le miroir (1) est réglé initialement pour réfléchir les rayons solaires (7) vers une cible (10) qui est un panneau photovoltaïque carré de lm de côté. La cible (10) est placée dans le prolongement du premier axe de rotation (3). Afin de suivre le déplacement du soleil (6) la mise en rotation du miroir (1) suivant ses deux axes est effectuée à l'aide d'un moteur et de transmissions mécaniques connues de l'homme de métier. Notamment la rotation autour du premier axe de rotation (3) se fait à une vitesse constante de 1 tour en 23h56mn et la rotation suivant le deuxième axe (2) se fait ponctuellement pour rattraper le décalage du soleil au cours de son déplacement saisonnier. Le pilotage des mouvements du miroir (1) est ordonné par un circuit de commande qui ne contient aucun enregistrement mémorisé de positions solaires mais reçoit en continu les informations d'un capteur optique bidirectionnel (9) placé sur le trajet du rayonnement solaire réfléchi (8) et solidaire du premier axe de rotation (3). Le capteur optique bidirectionnel (9) fourni un signal représentatif de l'inclinaison du faisceau de lumière qu'il reçoit, notamment l'inclinaison par rapport au premier axe de rotation (3) et par rapport au deuxième axe de rotation (2). Ces deux informations permettent de commander la correction de la position du miroir (1) jusqu'à ce que les inclinaisons deviennent nulles, c'est-à-dire jusqu'à ce que le faisceau réfléchi soit bien parallèle au premier axe de rotation (3) et atteigne la cible (10). Le processus de correction de l'orientation du miroir (1) s'effectue suivant la logique suivante :
- une cellule photovoltaïque couplée au premier axe de rotation (3) et orientée vers le soleil mesure la luminosité L du soleil.
- si cette luminosité L est inférieure à un minimum LS de 600 W/m2 alors on réitère la mesure de L jusqu'à ce qu'elle dépasse la valeur LS.
- dès que la luminosité L du soleil est supérieure ou égale à LS alors une horloge mesure une période de temps T égale à 2 mn tout en continuant les mesures de L.
- Si durant toute cette période de temps T on a L > LS alors un test d'orientation du miroir (1) est demandé au capteur optique bidirectionnel (9) de sorte que s'il y a une erreur de positionnement suivant le premier axe de rotation (3), une consigne est donnée pour augmenter, annuler, ou diminuer la vitesse de rotation dudit axe (3), puis une réitération du test d'orientation du miroir (1) est faite jusqu'à ce que le test d'orientation n'affiche plus d'erreur concernant le premier axe de rotation (3).
- Puis si le test d'orientation du miroir (1) détecte une erreur de positionnement suivant le deuxième axe de rotation (2), une consigne est donnée pour augmenter ou diminuer l'inclinaison du miroir (1) suivant son deuxième axe de rotation (2), puis une réitération du test d'orientation du miroir (1) est faite jusqu'à ce que le test d'orientation n'affiche plus d'erreur concernant le deuxième axe de rotation (2).
- Puis l'horloge est remise à zéro et une nouvelle boucle de mesures de période de temps T est lancée tout en continuant les mesures de L.
Ainsi le miroir (1) reste positionné en permanence de manière à réfléchir le rayonnement solaire vers la cible (10). Lorsque le soleil est voilé ou caché par des nuages ou bien pendant la nuit, le miroir (1) continue à tourner avec la même vitesse que celle du soleil (1 tour en 23h56mn) jusqu'à ce que le soleil réapparaisse avec une luminosité suffisante (L>LS) pour permettre une mesure de positionnement et éventuellement une correction. AVANTAGES DE L'INVENTION
En définitive l'invention permet bien à un heliostat de simplifier son protocole de poursuite du soleil et de devenir indépendant de toutes mémorisations de positions solaires et/ou indépendant de tout système de calculs astronomiques, ce qui apporte un gain certain en matière de coût et de fiabilité.

Claims

REVENDICATIONS 1. Héliostat comprenant un miroir (1) mobile orienté vers le soleil de façon à réfléchir le rayonnement solaire vers une cible (10), ce miroir étant entraîné par un moteur d'une part autour d'un premier axe de rotation (3) parallèle à l'axe de rotation de la Terre et d'autre part autour d'un deuxième axe de rotation (2) perpendiculaire audit premier axe de rotation (3), cet héliostat comportant un capteur optique bidirectionnel (9) apte à mesurer d'une part la quantité de lumière reçue en provenance du soleil et d'autre part la quantité de lumière réfléchie vers la cible (10), et une logique de commande apte à agir sur le positionnement du miroir (1) autour de chaque axe de rotation (2,3) afin de maximiser d'une part la quantité de lumière reçue du soleil par le capteur bidirectionnel (9) et d'autre part la quantité de lumière réfléchie par le miroir (1) en direction de la cible (10), caractérisé en ce que ledit capteur optique bidirectionnel (9) comporte :
- une première cellule photovoltaïque plane (Cl), active sur ses deux faces, et positionnée sur l'héliostat de sorte que le plan qui inclut ladite première cellule (Cl) inclut également le premier axe de rotation (3) ;
- une seconde cellule photovoltaïque plane (C2), active sur ses deux faces, et positionnée sur l'héliostat de sorte que le plan qui inclut ladite seconde cellule (C2) cellule est à la fois parallèle au premier axe de rotation (3) et perpendiculaire au plan de ladite première cellule (Cl).
2. Héliostat selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites première et seconde cellules photovoltaïques (Cl, C2) du capteur optique bidirectionnel sont solidaires du premier axe de rotation (3), la position de la première cellule (Cl) étant réglée pour que la luminosité sur chacune de ses deux faces soit identique lorsque le miroir (1) est positionné de façon que son axe perpendiculaire au plan du miroir soit aligné avec le soleil (6), et la position de la seconde cellule (C2) étant réglée pour que la luminosité sur chacune de ses deux faces soit identique lorsque le miroir (1) est positionné autour de son deuxième axe de rotation (2), de façon que les rayons réfléchis (8) par le miroir soient parallèles au premier axe de rotation (3) et dirigés vers la cible (10).
3. Héliostat selon la revendication 2, caractérisé en ce que le réglage de la position de la première cellule et de la seconde cellule photovoltaïques (Cl, C2) est effectué par ladite logique de commande asservissant le mouvement des moteurs actionnant le miroir autour de ses premier et second axes de rotation (3,2).
4. Héliostat selon la revendication 2, caractérisé en ce que le capteur optique bidirectionnel (9) est branché électriquement à un circuit électronique comparateur qui compare la luminosité sur chacune des deux faces des deux cellules (C1,C2) et qui transmet le résultat de la comparaison au circuit logique de commande connecté aux moteurs actionnant le miroir.
5. Héliostat selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce le miroir (1) est entraîné autour de son premier axe de rotation (3) d'Est en Ouest, cet entraînement se faisant à la vitesse sensiblement constante d'un tour par jour en fonctionnement normal, et à une vitesse légèrement supérieure ou légèrement inférieure à cette vitesse pendant un laps de temps de réglage, sous le contrôle de ladite logique de commande.
6. Héliostat selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'entraînement du miroir (1) autour de son premier axe de rotation (3) est arrêté pendant le laps de temps de réglage afin d'effectuer un rattrapage de position sous le contrôle de ladite logique de commande, et repris à la fin du laps de temps de réglage.
7. Héliostat selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que pour optimiser le positionnement du miroir en fonction du rayonnement reçu du soleil et du rayonnement réfléchi vers la cible, la logique de commande est configurée pour accélérer ou ralentir la rotation du miroir autour de chaque axe de rotation pendant un laps de temps de réglage, jusqu'à ce que le positionnement du capteur optique bidirectionnel (9) solidaire du miroir soit optimisé.
8. Héliostat selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite logique de commande est configurée pour exécuter un programme comportant des étapes consistant à :
- régler sensiblement la position du miroir (1) suivant ses deux axes de rotation (3,2) pour que le rayonnement solaire (7) reçu par le miroir soit réfléchi (8) dans le prolongement (4) du premier axe de rotation (3) et en direction de la cible (10) ;
- à l'aide du capteur optique bidirectionnel (9), mesurer la luminosité (L) du soleil et réitérer cette mesure jusqu'à ce que la luminosité mesurée soit supérieure à un seuil prédéterminé de luminosité minimale (LS) ;
- lorsque la luminosité mesurée (L) est supérieure au seuil de luminosité minimale (LS), tester l'orientation du miroir (1) en fonction du signal délivré par le capteur optique bidirectionnel (9) ;
- si le signal délivré par le capteur optique bidirectionnel (9) indique une erreur de positionnement du miroir suivant le premier axe de rotation (3) ou le second axe de rotation (2), modifier temporairement ou annuler la vitesse de rotation du miroir autour dudit axe de rotation (3,2), puis réitérer le test d'orientation du miroir (1) jusqu'à ce que le test d'orientation du miroir indique l'absence d'une erreur de positionnement du miroir autour de chaque axe de rotation.
9 - Héliostat selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit programme n'est exécuté qu'après un test de stabilité de l'éclairement solaire, indiquant que la luminosité (L) reçue par le miroir (1) est supérieure au seuil (LS) de luminosité minimale pendant un laps de temps supérieur à une temporisation prédéterminée CTs).
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