CAPACITACIÓN PARA LOS ESTADOS MIEMBROS DE LA
CURSO CAPEV 10 2009
CURSO DE CAPACITACIÓN VIRTUAL:
INTRODUCCIÓN AL ESTUDIO DE LA TERMOCONVERSIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR
Tecnologías solares de mediana y alta temperatura
Dr. Oscar Alfredo Jaramillo Salgado
Centro de Investigación en Energía. Universidad Nacional Autónoma de México
[email protected]
23 sep 2009
CONTENIDO DE LA PRESENTACIÓN
1. Objetivo de la sección
2. Descripción de los colectores solares
3. Colectores sin seguimiento solar y alta temperatura
• Concentradores Parabólicos Compuestos (CPC)
• Colectores de Tubos Evacuados
4. Colectores concentradores con seguimiento solar
• Concentradores de canal parabólico (PTC)
• Concentradores tipo Fesnel
• Concentradores de disco parabólico
• Concentradores de capo de helióstatos
5. Marco Teórico de los concentradores
• Análisis óptico de los CPCs
• Análisis térmico de CPCs
• Análisis ópticos de PTC
• Análisis Térmico de PTC
• Análisis por Segunda Ley de la Termodinámica
1. Objetivo de la sección
Introducción a los captadores solares de mediana temperatura: caso particular los
sistemas de concentración utilizando parábolas compuestas, canal parabólico,
descripción y principio de funcionamiento. Tecnologías solares de alta temperatura
descripción y principio de funcionamiento.
2. Descripción de los colectores solares
•
Los colectores de energía solar son tipos especiales de intercambiadores de
calor que transforman la energía de radiación solar en energía interna y dicha
energía la transfieren a un medio de transporte.
•
El principal componente de cualquier sistema de energía solar es el colector
o captador solar.
•
El captador o colector solar es un dispositivo que absorbe la radiación solar
entrante, la convierte en calor, y la transfiere a un fluido térmico (por lo general
agua, aceite o aire) que fluye a través del colector.
•
La energía solar recogida se transporta mediante el fluido que circula hasta
un tanque de almacenamiento de energía térmica, de la que pueden extraerse para
uso nocturno o en días nublados, o bien se puede aplicar de manera directa.
•
Existen básicamente dos tipos de colectores solares: no concentradores o
estacionarios y de concentración.
•
Un colector concentrador tiene una área para interceptar la radiación solar
es mayor que el área del receptor donde se absorbe la radiación solar, ese decir, es
capaz de aumentar el flujo de radiación.
•
Los colectores de concentración son adecuados para aplicaciones de alta
temperatura.
•
La concentración se refiere al aumento o magnificación de la energía solar en
el receptor del sistema. Es la relación entre el área de captación dividida por el área
del receptor (conocida como concentración geométrica).
3.
Colectores sin seguimiento solar y alta temperatura
• Compound
Compuestos)
Parabolic
Collectors
(CPCs,
Concentradores
Parabólicos
• Colectores parabólicos compuestos (CPC) son los concentradores de No-imagen
o que no forman una imagen bien definida del sol en el receptor. Tienen la
capacidad de reflejar toda la radiación incidente dentro de los límites del receptor.
Su potencial como colectores de energía solar fue señalado por Winston (1974). La
necesidad de mover el concentrador para dar cabida a la orientación al cambio de la
posición solar se puede reducir mediante el uso de CPCs (ver Figura 3.5)
• Los CPCs pueden aceptar la radiación solar entrante a través de una amplia gama
de ángulos. Mediante el uso de múltiples reflexiones internas, la radiación que entra
la abertura en el ángulo de aceptación de colección encuentra su camino a la
superficie de absorción del receptor situado en la parte inferior del colector.
• El receptor puede tomar una variedad de configuraciones. Puede ser plana,
bifaciales, cuña, o cilíndrica, como se muestra en la Figura 3.5. Los detalles sobre la
forma de construcción de colector se presentan más adelante.
• Se han diseñado dos tipos básicos de colectores CPCs: simétrica y asimétrica. CPC
suelen emplear dos tipos de receptrore: el tipo aleta con un tubo y receptores
tubulares. El tipo de aleta puede ser plana, bifaciales, o de cuña, como se muestra
en la Figura 3.5 para el tipo simétrico, y puede ser de un solo canal o multicanal.
•
Los CPCs deben tener un espacio entre el receptor y el reflector para evitar
que el reflector actúe como aleta y conduzca el calor fuera del receptor. Esto
resulta más importante para los de receptor plano.
•
Para los usos de alta temperatura se puede utilizar un CPC con seguimiento.
Cuando se utiliza el seguimiento, éste puede ser poco preciso e incluso
intermitente, puesto que la razón de concentración es generalmente pequeña y la
radiación se puede recoger y concentrar por una o más reflexiones en las
superficies parabólicas.
•
Colectores deTubos Evacuados
• Los colectores de calor solar de tubos al vacío (o simplemente colectores de
tubos evacuados, CTE) funcionan de manera diferente que los colectores planos
disponibles en el mercado. Estos colectores solares consisten en un tubo de calor
dentro de un tubo sellado al vacío, como se muestra en la Figura 3.7. En una
instalación real, los tubos están conectados a un mismo dispositivo o tubo como se
muestra en la Figura 3.8.
• Los CTE han demostrado que la combinación de una superficie selectiva y como
un supresor eficaz de la convección puede dar lugar a buen funcionamiento con
temperaturas altas. El vacío reduce pérdidas por convección y conducción, así que los
colectores pueden funcionar en temperaturas más altas que los colectores planos.
• Utilizan una pequeña cantidad de líquido que cambia de fase líquido-vapor (e.g.,
metanol) para trasportar el calor en un ciclo de evaporación-condensación. Porque
no hay evaporación o condensación posible sobre la temperatura de cambio de fase
el CTE ofrece la protección inherente contra la congelación y el recalentamiento. Este
control de la temperatura es único del CTE.
• Las características típicas de un CTE se muestran en la Tabla 3.2. Los CTE en el
mercado exhiben muchas formas del receptor y es posible encontrar el mercado CTE
acoplados a CPC.
• Otro tipo de colector desarrollado recientemente es el colector parabólico
compuesto integrado (CPCI). Éste es un colector evacuado en el cual, en la parte
inferior del tubo de cristal, un material reflexivo está fijo (Winston et al., 1999). En
este caso, se utiliza un reflector del CPC, Figura 3.10a, o un reflector cilíndrico,
Figura 3.10b. Este último no alcanza la forma de un reflector de concentración pero
tiene un costo de fabricación muy bajo. De esta manera, el colector combina en una
sola unidad las ventajas del aislamiento del vacío y de la concentración sin
seguimiento solar. En otro diseño, se desarrolla un CPCI de seguimiento que es
conveniente para los usos de alta temperatura (Grass et al., 2000).
•
Colectores concentradores con seguimiento solar
• Las temperaturas de los sistemas de energía solar se pueden aumentar
disminuyendo el área del receptor y reducir así las pérdidas de calor. La
temperatura alcanzada por estos sistemas está muy por encima de los colectores de
placa plana. La concentración se logra interponiendo un dispositivo óptico entre la
fuente de radiación y la superficie absorsión de energía. Los concentradores de
concentración ofrecen grandes ventajas sobre los que no cuentan con
concentración (Kalogirou y otros, 1994a).
• Muchos diseños se han considerado para la concentración de la energía solar.
Los concentradores pueden ser reflectores o refractores, pueden ser cilíndricos o
parabólicos, y pueden ser continuos o divididos en segmentos. Los receptores
pueden ser convexos, planos, cilíndricos, o cóncavos y pueden ser o no cubiertos
con películas selectivas y pueden o no estar protegidos por vidrio de alta pureza.
• Las razones de concentración, es decir, el cociente entre la abertura del
concentrador (o área de captación) y el área del receptor, pueden variar por varias
órdenes de la magnitud, desde unas cuantas unidades hasta valores del orden de
10,000.
• En los sistemas de concentración se requiere alta precisión en el seguimiento y
alta calidad del sistema óptico.
Las ventajas principales son:
• El fluido operante puede alcanzar temperaturas más que un sistema de placa
plana con la misma superficie de captación de energía solar. Esto significa que una
disponibilidad termodinámica más alta se puede alcanzar.
• Se logran temperaturas para hacer funcionar dispositivos termoiónicos,
termodinámicos, u otros de alta temperatura.
• La eficacia térmica es mayor debido a que se reducen las pérdidas de calor
concerniente al área del receptor.
• El costo-beneficio es mayor en los colectores de cocentración.
• Debido al área relativamente pequeña del receptor, el tratamiento superficial
selectivo y el aislamiento de vacío para reducir las pérdidas de calor y mejorar la
eficacia del colector haciendolos económicamente viables.
Sus desventajas son:
• Los sistemas del concentrador recogen poco radiación difusa.
• Se requiere cierta forma de sistema de seguimiento solar para permitir operar
el colector de concentración.
• Las superficies reflectoras solares pueden perder su reflexión con el tiempo y
pueden requerir la limpieza periódica y restauración.
• Los costos de inversión y mantenimiento son mayores.
• El movimiento del sol se puede seguir por dos métodos.
• El primer es el método altazimuth, que requiere el dispositivo de seguimiento
dar vuelta en altitud y acimut, es decir, cuando éste se realizada correctamente,
este método permite al concentrador seguir el sol exactamente. Los colectores
solares paraboloidales utilizan generalmente este sistema.
• El segundo es un eje que de seguimeinto, en el cual el colector sigue el sol en
una sola dirección, de Este al Oeste o de Norte a Sur. Los colectores parabólicos del
canal utilizan generalmente este sistema. Estos sistemas requieren ajuste continuo y
exacto para compensar los cambios en la altitud solar del sol. El seguimiento de tipo
ecuatorial, el eje de rotación se encuentra fijo y es paralelo al eje de rotación de la
tierra.
4. Colectores concentradores con seguimiento solar
• Como se menciono, una desventaja de los colectores concentradores es que
solamente utilizan la componente directa de la radiación solar, porque la
componente difusa no se puede concentrar por la mayoría de los concentradores.
• El colector que concentrador puede capturar más radiación por unidad de área
de abertura que un colector del placa plana.
• La luz reflejada o refractada se concentra en una zona focal, así se aumenta el
flujo de energía en el receptor.
• Los concentradores se puede también clasificar en los que forman una imagen
bien definida del sol y aquellos que no forma una imagen definida (como el caso del
CPC)
• Los colectores que forman una imagen definida en le receptor son:
•
Concentrador de canal parabólico .
•
Reflector lineal tipo Fresnel.
•
Plato parabólico.
•
Receptor de torre central.
•
Concentradores de canal parabólico
• Para entregar temperaturas altas con buena eficacia se requiere un colector
solar de alto rendimiento. Sistemas con estructuras ligeras y de tecnología
económica para procesos hasta 400°C se pueden obtener con concentradores de
canal parabólicos (PTCs). Estos pueden producir con alta eficiencia temperaturas
entre 50°C y 400°C.
• Los PTCs son fabricados doblando una hoja del material reflexivo en forma
parabólica.
• Un tubo negro del metal, cubierto con un tubo de cristal para reducir pérdidas
de calor, se coloca a lo largo de la línea focal del receptor (ver Figura 3.13).
• Cuando la parábola se apunta en la dirección el sol, los rayos inciden paralelos y
se reflejan sobre el tubo del receptor.
• La radiación concentrada que alcanza el tubo del receptor calienta el líquido
que circula a través de él, así transformando la radiación solar en calor útil. Es
suficiente utilizar un seguimiento de un solo eje y es posible producir módulos que
son colocados uno tras otro para formar un colector largo.
• El colector se puede orientar en dirección Este-Oeste, siguiendo el sol Norte a
Sur (altura solar), o en una dirección Norte-Sur, siguiendo el sol de del Este al Oeste
( a lo largo del día).
• Para PTCs orientados Este-Oeste con seguimiento solo de la altura solar (NorteSur)el ajuste día a día resulta muy pequeño por lo que se hace semanal, quincenal o
mensualmente. Al mediodía solar opera siempre frente al sol con máxima eficiencia
óptica y durante las horas tempranas y últimas del día está reduce grandemente,
debido a los ángulos de incidencia (pérdida de por efecto coseno).
• Los PTCs canales orientados Norte-Sur con seguimiento Este-Oeste tienen su
pérdida más alta al mediodía por efecto coseno y se reduce en las mañanas y en las
tardes. Pero estos presentan mayores horas de operación.
• El receptor de un canal parabólico es lineal. Generalmente, se coloca un tubo a
lo largo de la línea focal para formar un receptor superficial externo (véase el
cuadro 3.13). El tamaño del tubo, y por lo tanto la razón de concentración, es
determinado por el tamaño de la imagen reflejada del sol y las tolerancias de la
fabricación del canal.
• La superficie del receptor típicamente cuenta con una capa selectiva con una
alta absorción para la radiación solar pero una emitancia baja para la pérdida por
radiación térmica.
• Un tubo con cubierta de cristal se coloca generalmente alrededor del tubo del
receptor para reducir las pérdidas de calor por convección del receptor
• Una desventaja del tubo de la cubierta de cristal es que la luz reflejada del
concentrador debe pasar a través del vidrio para alcanzar el recpetor, agregando
una pérdida de la transmitancia (solo se logra alcanzar el 0.9 cuando el vidrio está
limpio). El sobre de vidrio se tiene generalmente una capa antireflejante para
mejorar transmisividad.
• Para aumentar el funcionamiento del colector, particularmente para usos de
alta temperatura, se evacua el espacio entre el tubo receptor y la cubierta de cristal.
• Es común que la longitud total del tubo del receptor del PTCs es de 25 a 150 m.
Un ejemplo de PTC es el colector solar producido por los Industrial Solar Technology
(IST) Corporation. Los IST iniciaron varias instalaciones de proceso de calor en los
Estados Unidos (a finales de siglo eran cerca 2700 m2 de área de captación) (Kruger
et al., 2000). El canal parabólico de los IST se ha probado y se ha evaluado a fondo
en el laboratorio nacional de Sandia (Dudley, 1995) y el centro aeroespacial alemán
(DLR) (Kruger et al., 2000) para estimar su eficiencia y su durabilidad. Las
características del sistema del colector de los IST se muestran en la Tabla 3.3.
•
Concentradores tipo Fesnel
• Los colectores de Fresnel tienen dos variaciones: el colector de lente de Fresnel
(FLC), mostrado en la Fgura 3.17a, y el reflector linear de Fresnel (LFR), mostrado en
la figura 3.17b.
Las tiras se pueden también montar de manera plana en un campo y la luz se
concentra en un receptor fijo lineal, como se muestra en la Figura 3.18. En este
caso, los reflectores pueden ser largos y el receptor no tiene que moverse. La
ventaja más grande de este tipo de sistema es que utiliza reflectores planos que son
más baratos que los reflectores parabólicos. Además, éstos se montan cerca del
suelo, así reduciendo al mínimo requisitos estructurales. El primero en aplicar este
principio fue el gran pionero solar Jorge Francia (1968), que desarrolló sistemas de
Fresnel en Génova, Italia, en los años 60. Estos sistemas demostraron que se
pueden alcanzar temperaturas elevadas al usar tales sistemas
•
Concentradores de disco parabólico
El receptor absorbe la energía solar concentrada, convirtiéndola en energía térmica y
transfiriéndola a un fluido. Esta energía se transforma entonces en electricidad
mediante un generador Stirling.
Los sistemas parabólicos de plato pueden alcanzar temperaturas superiores a
1500°C. Ya que los receptores se distribuyen a lo largo de un campo de colectores,
los platos parabólicos a menudo se llaman sistemas de receptor distribuido. Los
platos parabólicos tienen varias ventajas importantes (De Laquil et al., 1993):
1. Porque están apuntados siempre en el sol, son los más eficientes de todos los
sistemas de colector solar.
2. Tienen típicamente cocientes de concentración en la gama de 600 a 2000 y son
así muy eficientes la conversión de la energía solar.
3. Son unidades modulares y pueden funcionar independiente o pueden
interconectarse para formar un sistema más grande.
•
Concentradores de capo de helióstatos
• Para temperaturas extremadamente altas, una multiplicidad de espejos planos,
o helióstatos con montajes de seguimiento altazimuth se puede utilizar para
reflejar su radiación solar directa a un blanco común (ver Figura 3.21). Esto se llama
campo del helióstato con receptor de torre central.
• Los heliostatos pueden ser espejo levemente cóncavo, y las granes cantidades
de energía radiativa llegan a una cavidad que es acoplada a un generador de vapor
de temperatura y presión alta para producir electricidad.
Los receptores centrales tienen varias ventajas (De Laquil et al,, 1993):
1. Recogen energía solar y la transfieren a un solo receptor, así se reduce al mínimo
los requisitos de transporte de la energía térmica
2. Alcanzan típicamente cocientes de concentración de 300 a 1500 y así que son
muy eficientes
3. Pueden almacenar convenientemente energía térmica.
4. Se pueden escalar (generalmente más de 10 MW) y se benefician así de
economías de escala.
Cada helióstato puede contar con 50 a 150 m2 de superficie reflectiva, con cuatro
espejos instalados en un pilar común como se muestra en la Figura 3.22.
5. Marco Teórico de los concentradores
El cociente de concentración o razón de concentración (C) se define como la razón
del área de abertura y el área del receptor; es decir,
Por lo tanto, la energía irradiada desde el sol y recibida por el concentrador es
Un receptor (perfecto) de cuerpo negro irradia la energía igual a
fracción de esto alcanza el sol,
y una
Bajo esta condición idealizada, la temperatura máxima del receptor es igual a la del
sol. Según la segunda ley de la termodinámica, esto es verdad solamente cuando
________ . Por lo tanto, de (3.80) y (3.81)
Puesto que el valor máximo de
es igual a 1, el cociente de concentración
máximo para los concentradores tridimensionales es :
[ considerando que
]
Análogamente para un receptor lineal se tiene
•
Análisis óptico de los CPCs
Para CPCs estacionarios el ángulo de
aceptación mínimo es igual a 47°.
Este ángulo cubre la declinación del
sol a lo largo del año (2 X 23.5°).
En la práctica, ángulos más grandes se
utilizan para permitir al colector recoger la
radiación difusa a expensas de un cociente
de concentración más bajo.
•
Análisis térmico de CPCs
La eficiencia instantánea, h, de un CPC se define como el aumento de la energía útil
dividido por la radiación incidente en el plano de la abertura; es decir,
En la Ecuac. (3.85), Gt es la radiación total del incidente en el plano de la abertura.
La energía útil, Qu, se obtiene mediante
La radiación absorbente, S, se obtiene de (Duffie y Beckman, 1991):
•
Análisis óptico de los PTCs
Para un receptor tubular, la razón de concentración es:
De hecho, la magnitud del ángulo del borde determina el material requerido
para la construcción de la superficie parabólica. La longitud de la curva de
la superficie reflexiva se obtiene mediante
donde Hp es Latus Rectum de la parábola (m). Ésta es la abertura de la
parábola en el punto focal.
La eficiencia óptica se define como el cociente de la energía absorbida
receptor y la energía incidente en la abertura del colector. La eficiencia
depende de las características ópticas de los materiales implicados,
geometría del colector, y de las imperfecciones que se presentan
construcción del colector (Sodha et al., 1984),
por el
óptica
de la
en la
Durante la operación anormal de un PTC, algunos de los rayos reflejados cerca del
extremo del concentrador no pueden alcanzar el receptor. Esto se llama el efecto
de borde como se muestra en la Figura 3.39
Los errores asociados a la superficie parabólica son de dos tipos: aleatorios y noaleatorios (Guven y Bannerot, 1985). Los errores aleatorios se definen como esos
errores que se deben a la naturaleza del azar y, por lo tanto, se puedan
representar por distribuciones de probabilidad normales. Los aleatorios se
identifican como cambios evidentes en la anchura del sol, los efectos de la
dispersión causados por los errores aleatorios de la pendiente de la parábola (es
decir, distorsión de la parábola debido a carga del viento), y efectos de dispersión
asociados a la superficie reflectiva. Los errores no-aleatorios se presentan en el
ensamble de fabricación o la operación del colector. Estos se pueden identificar
como imperfecciones del perfil del reflector, errores del seguimiento y errores de
localización del receptor. Los errores aleatorios son modelados estadísticamente,
determinando la desviación estándar de la distribución total de la energía
reflejada, en la incidencia normal (Guven y Bannerot, 1986),
Los errores no-aleatorios son impuestos por el ángulo de error b (es decir, el
ángulo entre el rayo reflejado del centro del sol y la normal al plano de abertura
del colector) y del desplazamiento del receptor del foco de la parábola (dr). Puesto
que los errores del perfil del reflector y la mala colocación del receptor a lo largo
del eje de Y esencialmente tienen el mismo efecto, se utiliza un solo parámetro
para explicar ambos. Según Guven y Bannerot (1986), los errores aleatorios y noaleatorios se pueden combinar con los parámetros del colector, el cociente de
concentración (C), y el diámetro geométricos del receptor (D). Al usar los
parámetros universales del error, se puede formular el factor de intercepción,
g(Guven y Bannerot, 1985):
La distribución de la razón de concentración local para un PTC se muestra en la
Figura 3.40. La forma de las curvas depende de los errores aleatorios y noaleatorios. Debe observarse que la distribución es para la mitad del receptor está
demostrada en el Figura 3.40.
El ángulo de incidencia solar, q, es el ángulo entre los rayos del sol y el normal a la
superficie de captación.
Una manera más representativa de mostrar esta distribución para el receptor se
grafica en la Figura 3.41. Como se puede ver, la parte superior del receptor
esencialmente recibe solamente la radiación directa del sol y la concentración
máxima, cerca de 36 soles, ocurre a un ángulo de incidencia de 0° y en ángulo b
de 120°.
•
Análisis Térmico de PTC
El análisis térmico generalizado de un concentrador solar es similar a el de un
colector de placa plana. Es necesario derivar las expresiones apropiadas para el
factor de eficiencia del colector, F’; el coeficiente global de pérdidas, UL; y el factor
de remoción de calor del colector, FR.
Para un receptor de tubo desnudo y si se asume que ningún gradiente de
temperatura a lo largo del receptor, el coeficiente de pérdidas que considera
convección, radiación de la superficie y conducción a través de la estructura de
soprte,
El coeficiente linealizado de la radiación se puede estimar de
Si un solo valor de la hr no es aceptable debido a las variaciones grandes de la
temperatura a lo largo del flujo de fluido, el colector se puede dividir en l
pequeños segmentos, cada uno con una hr constante.
Otro análisis generalmente realizado para los PTCs es un modelo por trozos del
receptor de dos dimensiones considerando la variación circunferencial del flujo
solar mostrada en las Figuras 3.40 y 3.41. Tal análisis puede ser realizado
dividiendo el receptor en secciones nodales longitudinales e isotérmicas, según se
muestra en la Figura 3.42, y aplicando el principio de balance energético a la
cubierta de vidrio y a los nodos del receptor (otros de Karimi y, 1986).
•
Análisis por Segunda Ley de la Termodinámica
El análisis presentado aquí se basa en el trabajo de Bejan (Bejan et al., 1981;
Bejan, 1995). El análisis, sin embargo, se adapta a los concentradores de imagen,
porque la minimización de la generación de la entropía es más importante para los
sistemas des alta temperatura. Considere que el colector tiene un área de
abertura (o el área total del helióstato), Aa, y recibe la radiación solar Q*, según se
muestra en la Figura 3.44. El traspaso térmico solar neto, Q*, es proporcional al
área del colector, Aa, y proporcionalmente, al factor q* (W/m2), que varía con la
posición geográfica respecto a la tierra, la orientación del colector, condiciones
meteorológicas, y la hora. En este análisis, q* se asume como constante y el
sistema está en un estado estacionario; es decir,
Para sistemas de concentración, q* es la energía solar que llega al reflector. Para
obtener la energía que llega al receptor del colector, se debe a la exactitud del
mecanismo de seguimiento, de los errores ópticos del reflector, incluyendo su
reflectividad, y las características ópticas de la envolvente de vidrio del receptor.
Por lo tanto, la radiación que llega al receptor, qo*, es una función de la eficiencia
óptica, que explica todos estos errores. Para los colectores de concentración se
puede utilizar la Ecua. (3.106). La radiación que llega al receptor es (Kalogirou,
2004):
Parte de la radiación solar incidente se entrega como calor útil (o al usuario) como
a la temperatura del receptor, Tr. La fracción restante, Qo, representa las pérdidas
de calor del colector hacia el ambiente :
donde Qo se estima como
Al combinar las ecuas. (3.133) y (3.134), es evidente que ocurre la temperatura
máxima del receptor cuando Q=0, es decir, cuando la transferencia térmica Q* se
pierde al ambiente. La temperatura máxima del colector se da en forma
adimensional como
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