CN102597722A - 用于原位太阳能平板电池板诊断的方法和设备 - Google Patents

Abstract

提供了用于分析太阳能电池板和/或电池的性能的技术。在一方面中，提供了用于分析使用红外摄像机拍摄的红外热影像的方法。该方法包括以下步骤。将所述红外热影像转换成温度数据。在所述红外热影像中隔离个体单元。将每个隔离的单元的温度数据列表。基于所列表的温度数据而判定每个隔离的单元的性能状态。所述个体单元可包括太阳能电池板和/或太阳能电池。在另一方面中，提供了红外诊断系统。所述红外诊断系统包括：红外摄像机，其可相对于待成像的一个或多个单元而远程定位；以及计算机，其被配置为经由通信链路而从所述红外摄像机接收热影像且分析所述热影像。

Description

用于原位太阳能平板电池板诊断的方法和设备

技术领域

本发明涉及太阳能技术，更具体而言，涉及用于分析太阳能电池板和/或电池的性能的技术。

背景技术

太阳能光伏阵列占用大的面积且由许多个体太阳能电池板组成。例如，10兆瓦（MW）阵列可含有50,000个个体电池板（individual panel）。每一个电池板包括布线在一起的许多个体太阳能电池（individual solar cell）。电池板被布线，以允许在存在个体电池故障的情况下继续操作。太阳能阵列进一步被布线，以允许成串的电池板在存在个体电池板故障的情况下继续操作。

因此，鉴于这样的容错布线系统，将需要用于识别例如电池级和电池板级的故障，以便安排维护并换出故障单元的技术。

发明内容

本发明提供用于分析太阳能电池板和/或电池的性能的技术。在本发明的一个方面中，提供一种用于分析使用红外摄像机拍摄的红外热影像的方法。该方法包括以下步骤。将所述红外热影像转换成温度数据。在所述红外热影像中隔离个体单元（individual element）。将每个隔离的单元的温度数据列表（tabulate）。基于所列表的温度数据而判定每个隔离的单元的性能状态。所述个体单元可包括太阳能电池板和/或太阳能电池。

在本发明的另一方面中，提供一种红外诊断系统。所述红外诊断系统包括：红外摄像机，其可相对于待成像的一个或多个单元而被远程定位；以及计算机，其被配置为经由通信链路而从所述红外摄像机接收热影像且分析所述热影像。

通过参考以下详细描述和附图，将获得对本发明以及本发明的其它特征和优点的更全面理解。

附图说明

图1为示例根据本发明的实施例的示例性红外诊断系统的图；

图2为示例根据本发明的实施例的用于红外摄像机的机械支撑件的

图，该红外摄像机具有诸如左右转动和俯仰转动（pan and tilt）的远程定位能力以及诸如可远程操作的成像变焦透镜的远程透镜操作；

图3为根据本发明的实施例的含有故意停用的（disabled）电池行的太阳能平板电池板的图像；

图4为根据本发明的实施例的使用图1的红外诊断系统所拍摄的在操作中的图3的太阳能平板电池板的红外热影像；

图5为示例根据本发明的实施例的如何使用幅度绘图来分析红外影像中的所关注区域的图；

图6为示例根据本发明的实施例的用于分析红外热影像的示例性方法的图；

图7为示例根据本发明的实施例的被附到陆上运载体（vehicle）的红外摄像机的图；

图8为示例根据本发明的实施例的被附到空中运载体的红外摄像机的图；以及

图9为示例根据本发明的实施例的用于分析使用红外摄像机所拍摄的红外热影像的示例性设备的图。

具体实施方式

本文中公开了用于现场测试太阳能电池板和/或太阳能电池而不中断操作的技术。本发明技术基于本文中所进行的观测：工作电池板和/或电池将所吸收的辐射热负载的一部分作为电功率（其例如被供应至电力网）而耗散，然而，非工作电池板和/或电池必须将所吸收的辐射热负载的全部作为热而耗散。因此，工作电池板或电池将比对应的非工作电池板或电池冷若干度。

在本发明技术的一个实施例中，提供一种红外诊断系统，其具有红外摄像机和计算系统，以远程观测个体电池板的空间温度变化来判定个体电池板和组成个体电池板的电池的操作状况。具体而言，图1为说明示例性红外诊断系统100的图。红外诊断系统100包括被配置为经由通信链路103而彼此通信的红外摄像机101和计算机102。如下文将详细地描述的，例如可通过可远程控制的左右转动/俯仰转动能力和/或通过红外摄像机101所附接到的可远程控制的可移动运载体和/或平台而相对于待成像的一个或多个单元（例如，太阳能电池板和/或太阳能电池）来远程定位红外摄像机101。

如图1所示，在成像过程（下面进一步详细地描述）的示例性执行期间，红外摄像机101被定向为对太阳能电池板100成像且经由通信链路103将（热）影像数据传送至计算机102。计算机102可体现于诸如下面结合图9的描述所描述的设备900的设备中。有缺陷的电池在图1中被示例为在太阳能电池板100的热影像104中的不同热区105。

根据示例性实施例，红外摄像机101具有至少约240像素×320像素的像素分辨率、二摄氏度或百分之二（%）的热准确度、小于约0.1摄氏度的热敏度、以及对于电池驱动的应用的约25瓦特（W）的操作功率要求。

通信链路103可包括允许在红外摄像机101与计算机102之间交换控制和影像数据的任何合适连接。仅通过实例，通信链路103可为有线或无线通信链路。因此，仅通过实例，当红外摄像机101被附到诸如陆上运载体或空中运载体（见下文）的可移动运载体时，红外摄像机101与计算机102之间的通信可以无线方式发生。因此，在该实例中，计算机102不必与红外计算机101一起位于可移动运载体上。

如上文所强调的，太阳能光伏阵列由许多个体太阳能电池板组成，每一个太阳能电池板包括布线在一起的许多个体太阳能电池。相对于太阳能电池板100来定位红外摄像机101，使得可通过红外摄像机101对一个（多个）所关注区域成像。根据示例性实施例，该所关注区域包括一个或多个电池的区域，且根据正执行的量测延伸至含有许多电池板的区域。

可通过许多方式中的任一者来实现红外摄像机101相对于太阳能电池板100的定位。仅通过实例，红外摄像机101可被保持/放置于太阳能电池板100前方，附接至具有定位能力（诸如，左右转动以及俯仰转动）的支柱或其它机械支撑件，或放置于允许通过直接或远程装置重新定位的陆上运载体或空中运载体中。例如，在一个示例性实施例中，红外摄像机101装备有变焦透镜，且永久地固定至静态机械座架，即，支撑支柱。红外摄像机101优选地具有远程左右转动和俯仰转动能力（参见例如下文所描述的图2）。摄像机、透镜及定位装置可远程操作，以允许对太阳能电池板100的希望部分成像。在另一示例性实施例中，红外摄像机被附到陆上运载体，该陆上运载体能够相对于太阳能电池板而远程定位摄像机，以观测太阳能阵列的希望部分（参见例如下文所描述的图7）。在该实例中，远程左右转动及俯仰转动能力为优选的（见下文）。在又一示例性实施例中，红外摄像机被附到空中运载体，该空中运载体能够相对于太阳能电池板而远程定位摄像机，以观测太阳能阵列的希望部分（参见例如下文所描述的图8）。在该实例中，远程左右转动及俯仰转动能力为优选的（见下文）。

图2为示例用于红外摄像机201的机械支撑件200的图，该机械支撑件200具有诸如左右转动（在水平平面中旋转）及俯仰转动（在垂直平面中旋转）的远程定位能力，以及诸如可远程操作的成像变焦透镜的远程透镜操作和调整能力。通过控制模块202内的一个或多个致动器（未示出）（例如，电气伺服机构）来实现机械支撑件200的定位的远程操作。控制模块202可通过传输至天线202a的信号以无线方式控制。一般而言，本领域技术人员已知致动器的无线远程操作，因此本文中不进一步描述该方面。

如上文所描述，本文中观测到工作太阳能电池板和/或电池将所吸收的辐射热负载的一部分耗散为电功率。操作的太阳能电池板或电池相对于非工作电池冷若干度，非工作电池必须将其吸收的辐射功率的全部作为热而耗散。

图3为含有故意停用的电池行的太阳能平板电池板300的影像，所述故意停用的电池行在可见影像上的位置通过区域301来识别。太阳能电池板300将被用于示例本发明技术。

图4为使用（图1的）红外诊断系统100所拍摄（捕获）的在操作中的（图3的）太阳能平板电池板300的红外热影像400。区域301中的停用的电池行在热影像400中为可见的。除了停用的行以外，在热影像400中还示出了在高温下操作的有缺陷的电池402的热影像。因为邻近的区域较暖且不提供热散逸的传导路径，所以行故障致使该“热电池”更明显。

图5为示例可如何使用幅度绘图来分析红外影像中的所关注区域的图。具体而言，图5中包括太阳能电池板的（图4的）红外热影像400中的所关注区域504的幅度绘图510。根据绘图510，可比较操作电池的温度水平（temperature level）501与非操作行中的电池的温度水平502以及故障电池的温度水平503。绘图510清楚地表明：三至四度的幅度差相对于信号噪声和其它影像特征为清楚地可辨识的。给定的电池或电池板与邻近的电池或电池板之间的该幅度（温差）允许推断该电池或电池板已发生故障。

一旦如上文所描述地获取（捕获）了红外热影像，即可以若干方式来执行对被成像的电池板的分析。图6为示例使用例如图1的红外诊断系统100来分析红外热影像的示例性方法600的图。以下的描述将集中于所拍摄的红外热影像为一组太阳能电池板的红外热影像的实例。然而，相同分析可适用于各种其它尺度（scale）的红外热影像，例如个体电池板和/或电池板内的个体电池的红外热影像（参见下文）。

在步骤602中，将电池板的红外热影像从红外摄像机（即，红外摄像机101）传送至计算机（即，计算机102）。如上文所强调的，计算机可体现于诸如下面结合图9的描述所描述的设备900的装置中。本文中所使用的术语“红外热影像”是指由温度数据组成的影像，其中影像中的像素值表示成像至红外摄像机的感测元件上的空间中的实体点处的温度。

在步骤604中，一旦由计算机接收了红外热影像，红外热影像即转换成温度数据（如果尚未由红外摄像机转换，则参见下文）。可通过应用数学公式来进行该转换，该数学公式使用已知的发射率值（emissivity value）而使以瓦特为单位的（红外摄像机的）原始感测元件数据与热值相关。或者，红外热影像可以可选地通过红外摄像机自身，而非通过使用计算机，而转换成温度数据。如下文将详细地描述的，将使用温度数据分析该一个或多个受验电池板的性能。本文中所呈现的分析包括对数据调节和分析程序的系统性应用以提取所要的诊断信息。根据示例性实施例，从原始红外热影像提取与太阳能电池板组的性能、个体太阳能电池板的性能和/或电池板内的个体太阳能电池的性能有关的信息。

在步骤606中，考虑到诸如基本电池板尺寸、取向、电池尺寸和取向的因素（见下文），在红外热影像中对个体电池板进行隔离（即，识别和划界）。红外热影像中的这些隔离的电池板在本文中也可被概括性地称作“单元（element）”，以便大体上包括对电池板和电池的参考（见下文），即，所述单元为一个或多个太阳能电池板和/或一个或多个太阳能电池的热影像。步骤606可手动地执行或可为自动的（即，通过计算机执行）。具体而言，在最简单的情况下，通过在矩形影像区的拐角点处置放置光标来手动地在影像中识别与电池板或电池对应的热影像的区域。或者，可使用具有约束的模糊点（blob）查找技术或具有约束的自相关（autocorrelation）技术而使该步骤自动化（即，通过计算机执行）。本领域技术人员已知这些技术及其实施，因此本文中不进一步对其描述。发射率、热阻、环境温度、风速和日照率（insolation）也可作为输入而列入分析中。发射率为与由相同温度下的黑体所发射的能量相比由特定物体所发射的能量的量度（measure）。发射率通常表示为这两个能量值的比率。日照率表示每单位时间入射在一区域上的太阳能的量。

根据示例性实施例，首先处理红外热影像以识别矩形特征（即，红外热影像的与个体单元（电池板和/或电池）对应的矩形区域）以及矩形特征中的个体电池板边界。另外，如果在电池层级进行分析，则可在电池板内识别个体电池（参见下文）。可使用对于影像处理领域中的技术人员已知的基于计算机的技术来隔离矩形区域。这些影像处理技术包括但不限于相关法（correlation）和Hough变换。可通过有限脉冲响应滤波及类似方法来增强热影像中的电池板或电池的边缘，以简化边缘隔离和矩形区域隔离。在以某角度检视电池板或电池的情况下，可通过边缘角度来判定电池板的相对角取向。可接着使用变形（warp）技术来对热影像数据重新取样，以提供呈现正交（外观为矩形）的影像。该步骤允许下面以相同方式来处理所有电池板或电池。

在步骤608中，将在步骤606中隔离（识别和划界）的每一电池板的温度数据（参加上述步骤604）列表。在最简单的情况下，这可使用平均值或中位值。例如，可确定每一隔离的电池板内的温度值中的平均值或中位值。如上所述，红外热影像中的像素值表示空间中的实体点处（例如，隔离的电池板内的某点处）的温度。因此，可确定给定的隔离电池板内的这些像素的温度值中的平均值或中位值。用于确定多个温度值中的平均值或中位值的方法对于本领域技术人员而言是显而易见的，因此本文中不进一步对其描述。用于将每一隔离电池板的温度数据列表的其它更复杂计算（例如，使用基线函数（baseline function）（见以下对步骤610的描述））可被用于获得电池板温度的更精确表示。

在该方法的这一点上，在步骤610中，可应用考虑到电池板相对于冷却的热特性的校正。例如，电池板的顶部可因风而比同一电池板的底部热。然而，在无风的情况下，电池板的顶部和底部将指示（register）相同的温度。因此，若未考虑风效应，则风效应可能给出错误的读数。通过检查顶部至底部的温度差，可从数据减去该差异以从数据移除边缘效应和相关假象（artifact）且将数据降低至有效电池板温度。如上文所强调的，可实施这些校正以获得电池板温度的更准确表示（即，相比于仅计算平均或中位电池板温度）。根据一个示例性实施例，针对红外热影像中与电池板（或电池，见下文）对应的给定矩形区域来计算基线函数，基线函数在其最简单的形式中横跨电池板表面包含电池板的中位值温度的仿样估计（splinedestimate）。根据另一示例性实施例，电池板温度列表的更复杂的估计包括将热模型应用于电池板，该热模型考虑到电池板的热阻、取向（包括离地高度）、风速及日照率。本领域技术人员将明了在将电池板温度列表时如何将这些因素考虑进去。在任一情况下，基线函数为进行温度数据比较所参照的参考，且对应于电池板的预期温度。

可针对单个电池板来计算基线，以便隔离个体电池变化（见下文）。另外，可针对多个电池板来计算基线且将其合并成中位值基线。这种替代的分析方式允许同时比较一个电池板相对于同一阵列中的其它电池板的相应区域，以确定相对性能。

电池板的相对于基线函数处于较低温度下的区域相对于具有较高温度（相对于基线函数）的区域正以电的形式排放（dump）其较多的热。如果足够仔细地计算基线函数，则可计算出给定的电池板或电池的效率。

具体而言，在步骤612中，确定每一个识别的（即，隔离的）电池板的性能状态。本文中所使用的术语“性能”表示给定的单元（电池板或电池）正将入射太阳能转换成电且将电传递至负载（负载意指网（grid），其在该情况下以电的形式耗散能量）的效率。例如，可通过比较电池板的温度与邻近的已知工作电池板和/或通过比较电池板的绝对温度与考虑到诸如日照率和风的因素的模型以确定操作中的电池板的预期温度来推断性能。在任一情况下，正的温差指示电池板的性能劣化或发生故障。根据示例性实施例，每一电池板的性能状态可以为操作（电池板正根据制造商规格执行）、劣化（性能低于最佳性能，但电池板仍在一定程度上起作用）或故障（电池板不再操作）中的一者。

可以每隔一定的间隔执行方法600的步骤。基于性能评估，可接着作出关于是立即更换（replace）给定的电池板还是等待下一评估循环的决策。仅通过实例，如果给定的电池板在一个性能测试循环（即，在方法600的一次循环期间）显示出劣化的性能，则操作者可判断是在此时更换电池板还是等待查看在方法600的下一循环期间电池板的性能是否进一步劣化。

为了允许该判断，在步骤614中，产生报告以对分析进行总结（即，给出每一隔离的电池板的性能状态）。可使用任何合适形式的数据报告以将性能状态输送至操作者，该数据报告包括但不限于数值和/或图形表示。

可以与以上分析类似的方式来分析工作电池板内的个体电池的分析。在该情况下，以足够像素分辨率拍摄电池板或电池板的部分的影像，以对具有至少一个像素的个体电池成像。实际上，每个电池多个像素（即，大于100个像素）为理想的。

接着，如结合以上步骤606的描述所描述地隔离热影像内的个体电池，且如结合以上步骤608的描述所描述地将与每个隔离的电池相关联的温度数据列表。如结合以上步骤610的描述所描述地，针对边缘和结构冷却效应、摄像机假象等来补偿个体电池数据。

通过如结合以上步骤612的描述所描述地比较电池温度与邻近的电池并且评估电池理论温度模型来估计个体电池的性能状态，且如结合以上步骤614的描述所描述地报告数据。

图7为示例通过机械支撑件（例如，具有上述远程左右转动和俯仰转动能力的图2的机械支撑件200）而被附到陆上运载体702（其可以为能够相对于太阳能电池板远程定位红外摄像机以观测太阳能阵列的所需部分的任何类型的陆上运载体）的红外摄像机（例如，红外诊断系统100的红外摄像机101）的图。在一个示例性实施例中，陆上运载体702为具有用于保持红外摄像机的伸缩式桅杆（mast）和可远程操作的左右俯仰转动机构的简单轮式平台。在替代实施例中，用自推进（self-propelled）电池供电的远程受控自行装置（motorized cart）替代轮式平台。在一个实施例中，远程控制包含通过有线或无线装置而连接至受控器件的手动操作控制。根据图7所示例的示例性实施例，陆上运载体702包括桅杆704，红外摄像机附接至该桅杆704。优选地，该桅杆具有伸缩能力（如箭头706所指示的），这允许红外摄像机升高或降低以能够最佳地接近正被成像的电池板。对桅杆的控制同样优选地为远程的，但也可为手动的。

图8为示例通过机械支撑件（例如，具有上述远程左右转动和俯仰转动能力的图2的机械支撑件200）而被附到空中运载体802（其可以为能够相对于太阳能电池板远程定位红外摄像机以观测太阳能阵列的所需部分的任何类型的空中运载体）的红外摄像机（例如，红外诊断系统100的红外摄像机101）的图。在优选实施例中，被配置为具有无线远程控制（见上文）的红外摄像机被附到同样具有远程无线控制的气艇。在该实施例中，气艇为具有借助于电动机驱动的螺旋桨的定向控制且由小型蓄电池自供电的具有约八立方米（m³）体积和一公斤（kg）有效负载（payload）的填充有少量氦的软式气艇（blimp）。

现转至图9，示出了根据本发明的一个实施例的用于分析使用红外摄像机所拍摄的红外热影像的设备900的框图。应理解，设备900代表用于实施图6的方法600的一个实施例，且可用作图1的红外诊断系统的计算机102。

设备900包含计算机系统910和可移除的介质950。计算机系统910包含处理器装置920、网络接口925、存储器930、介质接口935和可选的显示器940。网络接口925允许计算机系统910连接至网络，而介质接口935允许计算机系统910与诸如硬盘驱动器或可移除的介质950的介质互动（interact）。

如本领域中所已知的，本文中所讨论的方法和设备可被分配为自身包含机器可读介质的制造的物品（article），该机器可读介质含有一个或多个程序，当所述程序被执行时实施本发明的实施例。例如，机器可读介质可含有被配置为进行以下动作的程序：将红外热影像转换成温度数据；在红外热影像中隔离个体单元；将每个隔离的单元的温度数据列表；以及基于所列表的温度数据而判定每个隔离的单元的性能状态。

机器可读介质可以为可记录介质（例如，软盘、硬盘驱动器、诸如可移除的介质950的光盘，或记忆卡），或者可以为传输介质（例如，包含光纤的网络、万维网（world-wide web）、线缆或使用时分多址（time-divisionmultiple access）、码分多址（code-division multiple access）的无线信道，或其它射频信道）。可使用已知或已开发的可存储适合用在计算机系统上的信息的任何介质。

处理器装置920可被配置为实施本文中所公开的方法、步骤和功能。存储器930可为分布式的或本地的，且处理器装置920可为分布式的或单一的（singular）。存储器930可被实施为电存储器、磁存储器或光存储器，或者这些或其它类型的存储装置的任何组合。此外，术语“存储器”的解释应足够广泛以涵盖能够从通过处理器装置920存取的可寻址空间中的地址读取或能够写入至该地址的任何信息。根据该定义，因为处理器装置920可从网络检索信息，所以关于可通过网络接口925存取的网络信息仍在存储器930内。应注意，组成处理器装置920的每个分布式处理器通常含有其自身的可寻址存储器空间。还应注意，计算机系统910中的一些或全部可被并入专用集成电路或通用集成电路中。

可选的视讯显示器940为适合与设备900的人类使用者互动的任何类型的视讯显示器。一般而言，视讯显示器940为计算机监视器或其它类似的视讯显示器。

尽管本文中已描述了本发明的示例性实施例，但应理解，本发明不限于那些精确实施例，且可在不脱离本发明的范围的情况下由本领域技术人员进行各种其它改变和修改。

Claims (20)

1.一种用于分析使用红外摄像机拍摄的红外热影像的方法，其包含以下步骤：

将所述红外热影像转换成温度数据；

在所述红外热影像中隔离个体单元；

将每个隔离的单元的温度数据列表；以及

基于所列表的温度数据而判定每个隔离的单元的性能状态。

2.根据权利要求1的方法，其中所述个体单元包含太阳能电池板。

3.根据权利要求1的方法，其中所述个体单元包含太阳能电池。

4.根据权利要求1的方法，其中所述隔离步骤还包含以下步骤：

识别所述红外热影像的与所述个体单元对应的矩形区域。

5.根据权利要求1的方法，其中所述列表步骤还包含以下步骤：

确定所述隔离的单元中的每一者的温度数据的平均值。

6.根据权利要求1的方法，其中所述列表步骤还包含以下步骤：

确定所述隔离的单元中的每一者的温度数据的中位值。

7.根据权利要求1的方法，其还包含以下步骤：

产生所述隔离的单元中的每一者的性能状态的报告。

8.一种用于分析使用红外摄像机拍摄的红外热影像的制品，其包含机器可读介质，所述机器可读介质含有一个或多个程序，当所述程序被执行时实施以下步骤：

将所述红外热影像转换成温度数据；

在所述红外热影像中隔离个体单元；

将每个隔离的单元的温度数据列表；以及

基于所列表的温度数据而判定每个隔离的单元的性能状态。

9.一种用于分析使用红外摄像机拍摄的红外热影像的设备，所述设备包含：

存储器；以及

至少一个处理器装置，其被耦合到所述存储器，并操作为：

将所述红外热影像转换成温度数据；

在所述红外热影像中隔离个体单元；

将每个隔离的单元的温度数据列表；以及

基于所列表的温度数据而判定每个隔离的单元的性能状态。

10.一种红外诊断系统，其包含：

红外摄像机，其可相对于待成像的一个或多个单元而远程定位；以及

计算机，其被配置为经由通信链路而从所述红外摄像机接收热影像，且分析所述热影像。

11.根据权利要求10的红外诊断系统，其中待成像的所述单元包含太阳能电池板。

12.根据权利要求10的红外诊断系统，其中待成像的所述单元包含太阳能电池。

13.根据权利要求10的红外诊断系统，其中所述红外摄像机具有至少约240像素×320像素的像素分辨率。

14.根据权利要求10的红外诊断系统，其中所述通信链路为无线通信链路。

15.根据权利要求10的红外诊断系统，其中所述红外摄像机具有能够远程控制的左右转动和俯仰转动能力。

16.根据权利要求10的红外诊断系统，其中所述红外摄像机具有能够远程控制的透镜调整能力。

17.根据权利要求10的红外诊断系统，其还包含：

能够远程控制的气艇，所述红外摄像机被安装至该气艇。

18.根据权利要求17的红外诊断系统，其中所述红外摄像机具有能够远程控制的左右转动和俯仰转动能力以及能够远程控制的透镜调整能力。

19.根据权利要求10的红外诊断系统，其还包含：

能够远程控制的陆上运载体，所述红外摄像机被安装至该陆上运载体。

20.根据权利要求19的红外诊断系统，其中所述红外摄像机具有能够远程控制的左右转动和俯仰转动能力以及能够远程控制的透镜调整能力。

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