CN104234919B - 一种波浪发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种波浪发电装置，包括浮台、以及设置在浮台上的摆锤机构，摆锤机构包括竖杆、横杆和摆锤，竖杆设置在浮台上，横杆设置在竖杆的上端，摆锤与横杆滑动连接；波浪发电装置还包括与竖杆下端相连的传动机构、以及与传动机构相连的发电机构。在本发明的波浪发电装置中，采用包括竖杆、横杆和摆锤的摆锤机构，竖杆设置在浮台上，横杆设置在竖杆的上端，摆锤与横杆滑动连接，这使得本发明的波浪发电装置对波浪反应极灵敏，能高效率捕捉各种波浪的动能发电,包括在海洋和在浪幅较小的湖泊河川水面的波浪；发电装置的浮台可以是船体或船只，即使船只在停泊或巡航中，发电装置也能源源不断提供电能供船只使用。
Description
技术领域
本发明涉及发电装置，更具体地说，涉及一种利用波浪进行发电的波浪发电装置。
背景技术
波浪中蕴藏着巨大的能量，而且波浪能具有可再生、储量大、分布广等特点，因此，波浪发电一直倍受人们重视和关注。人们一直尝试使用各种波浪发电装置从波浪中获取动能来发电,但是由于波浪长时间无间歇的冲击，导致机械设备非常容易受损坏,而且发电装置须长期浸在水里,波浪发电装置在运作可靠性、防腐蚀、防贝壳海藻寄生、机械磨损、日常维护等多方面有很多需要解决的难题。现有的波浪发电装置在利用波浪进行发电时需要适当的浪幅，浪幅过大容易使设备受损发生故障，浪幅过小则会导致发电效率低。此外，由于波浪发电装置的制造成本昂贵，至今可在海上能作商业规模运作的波浪发电装置非常少,仅有的仍需要在国家政策经济补贴下才能营运。而且，现有的波浪发电装置一般仅适于海洋的波浪发电，不能适用于波浪相对平缓的湖泊河川水面。
发明内容
本发明的目的在于提供一种对波浪反应极灵敏、能高效率的利用各种波浪进行发电的波浪发电装置，可以设置在海洋或湖泊河川的水面上，利用波浪的进行发电。
本发明的波浪发电装置包括浮台、以及设置在所述浮台上的摆锤机构，所述摆锤机构包括竖杆、横杆和摆锤，所述竖杆设置在所述浮台上，所述横杆设置在所述竖杆的上端，所述摆锤与所述横杆滑动连接；
所述波浪发电装置还包括与所述竖杆下端相连的传动机构、以及与所述传动机构相连的发电机构。
在本发明所述的波浪发电装置中，所述传动机构包括万向联轴器、以及与所述万向连接轴器相连的齿轮传动机构，所述万向联轴器的一端与所述竖杆相连，另一端与所述齿轮传动机构相连。
在本发明所述的波浪发电装置中，所述齿轮传动机构包括输入轴，所述输入轴的上端与所述万向联轴器相连，所述输入轴的下端设有第一主动锥齿轮，所述齿轮传动机构还包括与所述第一主动锥齿轮啮合的第一从动锥齿轮、以及与所述第一从动锥齿轮相连的链条传动组件，所述链条传动组件包括主动齿轮、从动齿轮以及链条，所述主动齿轮与所述第一从动锥齿轮相连，所述从动齿轮设置在单向齿轮轴的中部，所述单向齿轮轴的两端分别设有第一棘轮和第二棘轮，所述第一棘轮和第二棘轮的旋转方向相反，第二棘轮与输出齿轮啮合，所述输出齿轮设置在输出轴上，所述输出轴与所述发电机构相连；
所述齿轮传动机构还包括传动轴，以及设置在传动轴两端的第一传动齿轮和第二传动齿轮，所述第一传动齿轮通过第三传动齿轮与第一棘轮配合，所述第二传动齿轮与所述第二棘轮啮合。
在本发明所述的波浪发电装置中，所述齿轮传动机构还包括主轴，所述主轴的上端铰接有多个离心球摆，所述主轴的下端设有第一传动锥齿轮，所述传动轴的中部设有与所述第一传动锥齿轮相啮合的第二传动锥齿轮。
在本发明所述的波浪发电装置中，所述发电机构为液压发电机构，所述液压发电机构包括液压油箱、增压泵、液压油输入接口、液压油输入总管、涡轮机、发电机、以及连接各部分的油管，所述增压泵的与所述传动机构的输出轴相连，所述增压泵的出油口与所述液压油输入接口相连，所述液压油输入接口设置在所述液压油输入总管上，所述液压油输入总管与所述涡轮机的进油口相连，所述涡轮机的出油口与所述液压油箱相连，所述涡轮机的输出端与所述发电机相连。
在本发明所述的波浪发电装置中，所述液压油输入总管和所述涡轮机之间设置有液压储能器，所述液压储能器的进口和出口设置有单向阀
在本发明所述的波浪发电装置中，所述发电机构为与所述齿轮传动机构的输出轴相连接的发电机。
在本发明所述的波浪发电装置中，所述浮台为半球形或球缺形。
在本发明所述的波浪发电装置中，所述波浪发电装置还包括绳链和锚，所述绳链一端与所述锚连接，另一端固定在所述浮台的水平轴线的两端。
在本发明所述的波浪发电装置中，所述浮台上设有一个或多个所述摆锤机构，相连摆锤机构的竖杆的高度不同。
在本发明所述的波浪发电装置中，所述摆锤包括多个层叠在一起且个数可变的摆锤单元并可在横摆杆上移动，以调整动能输出。
在本发明所述的波浪发电装置中，所述竖杆设置在靠近所述浮台边缘的位置。
在本发明所述的波浪发电装置中，所述浮台为船只。
实施本发明的波浪发电装置，具有以下有益效果：在本发明的波浪发电装置中，采用包括竖杆、横杆和摆锤的摆锤机构，竖杆设置在浮台上，横杆设置在竖杆的上端，摆锤则悬挂在横杆上并可因应波浪幅和输出调整移动，这使得本发明的波浪发电装置对波浪反应极灵敏，能高效率捕捉各种波浪的动能发电,包括在海洋和在浪幅较小的湖泊河川水面的波浪。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明的单个横摆锤波浪发电装置的示意图；
图2是本发明的波浪发电装置的第一实施例的结构示意图；
图3是图2所示的波浪发电装置的局部结构示意图；
图4是图2所示的波浪发电装置的传动机构的结构示意图；
图5是图2所示的波浪发电装置的发电机构的结构示意图；
图6是本发明的波浪发电装置的第二实施例的结构示意图；
图7是本发明的波浪发电装置的原理示意图；
图8是本发明的波浪发电装置的摆锤机构布置示意图；
图9a至图9b是本发明的波浪发电装置在波浪作用下不同状态的示意图；
图10是本发明的波浪发电装置前视示意图；
图11是有本发明的波浪发电装置构成的波浪发电系统的示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，为本发明的波浪发电装置的示意图，该波浪发电装置10包括可以漂浮在水面上的浮台20，浮台20具有甲板21，甲板21上设有摆锤机构，浮台20在波浪9的作用下可以上下起伏左右摆动，改变摆锤11重心；摆锤11在寻找最低重心时不断移动使横杆12摇摆，摆锤11动能经竖杆13传至浮台甲板21下的传动机构30驱动发电机构进行发电。浮台2可以是单独制造的可以漂浮在水面上的漂浮平台，也可以是船体，也即本发明的发电装置是可以设置在一般的船上，给船供电。
参看图2至图5，为本发明的波浪发电装置的第一实施例的示意图。在该实施例中，摆锤机构包括竖杆13、横杆12和摆锤11，其中竖杆13设置在甲板21上并可以绕竖杆13的轴线往复转动，横杆12设置在竖杆13的上端，由竖杆13的上端向外延伸，摆锤11与横杆12滑动连接，摆锤11可以相对横杆12在横杆12的长度方向滑动。竖杆13可以与竖直方向平行或与竖直方向有一定的夹角，横杆12与水平方向平行或与水平方向呈一定的夹角，在本实施例中，优选竖杆13与竖直方向呈一定的夹角，横杆12与水平方向平行，也即竖杆13是倾斜的，横杆12是水平的。
参看图2和图5，竖杆13的下端与传动机构相连，传动机构包括万向联轴器30，以及与万向联轴器30相连的齿轮传动机构，竖杆13的下端与万向联轴器30相连，齿轮传动机构的输出轴16与发电机构相连。其中，齿轮传动机构包括与上端与万向联轴器30相连的输入轴17，输入轴17的下端设置有第一主动锥齿轮411，齿轮传动机构还包括与第一主动锥齿轮411配合的第一从动锥齿轮412，以及与第一从动锥齿轮412相连的链条传动组件，链条传动组件包括主动齿轮421、从动齿轮422以及连接主动齿轮421和从动齿轮422的链条420，第一从动锥齿轮412与主动齿轮421通过连接轴连接，从动齿轮422设置在单向齿轮轴430的中部，单向齿轮轴430的两端分别设有第一棘轮431和第二棘轮432，第一棘轮431和第二棘轮432只能向一个方向旋转，而且第一棘轮431和第二棘轮432使用单向齿轮轴430同轴相连但旋转方向相反，在第一、第二棘轮431和432运作下来捕捉链条420带来的双向动能，使第二传动锥齿轮414有单向动能输出。第二棘轮432与输出齿轮45啮合，输出齿轮45的输出轴16与发电机构相连。齿轮传动机构还包括与第一棘轮431和第二棘轮432配合的离心储能组件。离心储能组件包括主轴14，主轴14的上端铰接有多个离心球摆140，主轴14的下端连接有第一传动锥齿轮413，离心储能组件还包括传动轴15，以及设置在传动轴15中部的第二传动锥齿轮414、分别设置在传动轴15两端的第一传动齿轮441和第二传动齿轮442，其中第一传动齿轮441通过第三传动齿轮443与第一棘轮431配合，也即于第三传动齿轮443分别与第一传动齿轮441和第一棘轮431啮合，第二传动齿轮442与第二棘轮432啮合。
需要理解的是，离心飞轮储能组件140与一般的飞轮储能组件功能相当但性能更优越；当离心飞轮组件140受外动力需瞬间增速时，所产生的阻抗力会远低于一般的飞轮储能组件，这使离心飞轮组件140在增速时反应更灵敏，所产生之机械磨损更少，相应使发电输出平稳并减低设备需频繁维护的困挠。若将离心储能组件中的主轴14以及第一传动锥齿轮413和第二传动锥齿轮414省去，此时，传动轴15、传动轴15两端的第一传动齿轮441、第二传动齿轮442，以及第三传动齿轮443构成单纯的传动组件，不具有储能的作用。
由于存在第一棘轮431和第二棘轮432，无论输入轴17顺时针转动或逆时针转动，经由棘轮组431,432和齿轮传动机构传动后，输出轴16都向同一方向旋转。离心储能组件140可以吸收缓和链条420带来的特发性增速力，同时减少机械磨损，使输出轴16具有较为平稳的动力输出。
参看图2和图5，在本实施例中，发电机构为液压发电机构。该液压发电机构50包括液压油箱59、增压泵51、液压油输入接口56、液压油输入总管57、液压储能器53、涡轮机52、发电机6、以及连接各部分的油管54，其中，增压泵51的与传动机构的输出轴16相连，增压泵51的进油口通过油管54与液压油箱59相连，增压泵51的出油口通过油管54与液压油输入接口56相连，液压油总输入总管57上设有多个液压油输入接口56，液压油输入总管57通过油管54与液压储能器53的进口相连，液压储能器53的出口通过油管54与涡轮机52的进油口相连，涡轮机52的出油口通过油管54与液压油箱59相连，液压油箱59内盛有液压油58，涡轮机52的输出端与发电机6相连，涡轮机52驱动发电机6发电，发电机6可以是直驱式发电机。液压储能器53的进口和出口都设有单向阀55。
以上对本发明的波浪发电装置的第一实施例的结构进行了介绍，下面结合附图介绍本发明的波浪发电装置是如何工作的。
参看图1至图5，以及图9a、图9b,浮台20受波浪9的作用上下起伏左右晃动改变摆锤11重心，摆锤11在寻找最低重心时不断移动使连着的竖杆13也随之摆动，受重力作用下，摆锤11会向势能最低的位置运动，摆锤11的动能经竖杆13通过万向联轴器30驱使输入轴17转动，当竖杆13顺时针转动时，输入轴17也顺时针转动，动力经由第一主动锥齿轮411、第一从动锥齿轮412、链条420传动组件、第一棘轮431、第三传动齿轮443、传递至第一传动齿轮441，然后一部分动力经第二传动齿轮442、第二棘轮432、输出齿轮45、输出轴16传递至增压泵51，增压泵51将液压油58增压后输送至液压储能器53中，当液压储能器53中的油压超过默认值时，液压储能器53的出口的单向阀55打开，液压油驱动涡轮机52转动，从而带动电机6发电；另一部分动力经由第二传动锥齿轮414、第一传动锥齿轮413传递至主轴14驱动主轴14转动，主轴14转动时，带动多个离心球摆140一起转动，离心球摆140在绕主轴14转动时，由于离心作用远离主轴14，转轴14转速越高，离心球摆140离主轴14越远，由于离心球摆140具有势能和动能，可以储存一定的能量，当输入轴17没有输入或输入的动力不足时，离心球摆140的动能和势能可以驱动主轴14持续转动，进而经第一传动锥齿轮413、第二传动锥齿轮414、第二传动齿轮442、第二棘轮432、输出齿轮45、输出轴16向外输出动力。
当竖杆13逆时针转动时，输入轴17也随之逆时针转动，动力经由第一主动锥齿轮411、第一从动锥齿轮412、链条420传动组件，传递至第二棘轮432，然后一部分动力输出齿轮45、输出轴16传递至增压泵51，增压泵51将液压油58增压后输送至液压储能器53中，当液压储能器53中的油压超过默认值时，液压储能器53的出口的单向阀55打开，液压油驱动涡轮机52转动，从而带动电机6发电；另一部分动力经由第二传动齿轮442、第二传动锥齿轮414、第一传动锥齿轮413传递至主轴14驱动主轴14转动，主轴14转动时，带动多个离心球摆140一起转动，离心球摆140在绕主轴14转动时，由于离心作用远离主轴14，转轴14转速越高，离心球摆140离主轴14越远，由于离心球摆140具有势能和动能，可以储存一定的能量，当输入轴17没有输入或输入的动力不足时，离心球摆140的动能和势能可以驱动主轴14持续转动，进而经由第一传动锥齿轮413、第二传动锥齿轮414、第二传动齿轮442、第二棘轮432、输出齿轮45、输出轴16向外输出动力。
本实施例中的离心储能组件和液压储能器53都可以储存一定的能量，当竖杆13转速过高时，也即整个系统的输入功率过高时，离心储能组件和液压储能器可以储存一部分能量，避免液压瞬间过高破坏液压系统和避免发电机6的输出变化过于剧烈，当竖杆13转速过低时，离心储能组件和液压储能器53可以将储存的能量释放出来用于发电，离心储能组件和液压储能器53可以起到调峰的作用，使发电机6有较为平稳的电力输出，可以避免系统的瞬时功率过大，对整个发电装置具有一定的保护作用。
参看图6，为本发明的波浪发电装置的第二实施例的示意图，在该实施例中，除了发电机构与第一实施例不同之外，其他结构与第一实施例的结构相同。在第二实施例中，发电机构为发电机6，发电机6直接与传动机构的输出轴16相连接，本实施例的波浪发电装置的其他结构与第一实施例的结构相同，不再赘述。
参看图7，摆锤11驱动竖杆13的转动力矩M与摆锤11的重量W、以及摆锤11与竖杆13的距离D成正比，摆锤11的动能KE与摆锤11的质量m、以及摆锤11与浮台20的中轴点F的距离R的平方成正比，图7中，R3、R21、R22都大于R1。因此摆锤11的质量m、摆锤11与竖杆13的距离D、以及摆锤11与浮台20的中轴距离R的数值越大，摆锤11输入给传动机构的能量也越大，当波浪发电装置放置在波浪幅度较大的水域时，可以适当减小摆锤11的质量m、摆锤11与竖杆13的距离D，以减小摆锤11的力矩，避免波浪发电装置收到损坏。反之，当波浪发电装置放置在波浪幅度较小的水域时，可以适当增大摆锤11的质量、以及摆锤11与竖杆13的水平距离D，可以提升摆锤11的输出力矩M和动能KE，提高波浪发电装置的发电效率。本发明的波浪装置10对波浪9反应极为灵敏，通过增加摆锤11与竖杆13的水平距离D，或者增加摆锤11与浮台20中轴点F的距离R，可以提升摆锤11对波浪9的灵敏度，即使浪幅低过0.5米的情况下，摆锤11也可以驱动横杆12以及竖杆13转动，进而驱动发电机构进行发电。
参看图8，为本发明的波浪发电装置的摆锤布置示意图，在同一浮台20上可以布置多根立杆13，每根立杆13的上端设置一根横杆12，每根横杆12上滑动连接一摆锤11，摆锤11有多个摆锤单元层叠而成，可以调整摆锤单元的数量从而调整摆锤11的质量。竖杆13尽可能靠近浮台20的边缘设置，这样可以使摆锤11尽量远离浮台中心点，以获得最大的摆幅和动态能。竖杆13的高度越高越好，但相邻的竖杆13的高度则可以不同，这样可以避免相邻的摆锤11和横杆12在摆动时发生干涉。
图1至图9中所示波浪发电装置的浮台20都为半球形，适于设置在不会结冰的水域，可以获得最大的摇摆幅度。图10所示的波浪发电装置，其浮台20的形状为球缺形，浮台20的半球形的下部没入水中，使浮台20与水之间的阻抗力最小，风浪可以轻易的把浮台20在水面上摇晃，使浮台20附近的水由于不停的运动而不易结冰，从而使波浪发电装置尽可能的长时间工作，不受寒冷天气的影响。图10中，浮台20通过绳链8以及锚7固定在水里，其中，绳链8一端与锚7连接，另一端固定在浮台20的水平轴线的两端，这样浮台20与波浪9的摇动方向互相干涉最少，使浮台船体可获得最大的摆幅，以提高发电效率。
参看图11，为采用本发明的波浪发电装置的波浪发电系统的示意图，多个波浪发电装置10通过绳链8连接起来，置于水面上，波浪起伏时，就可以源源不断的输出电能。
本发明的波浪发电装置的传动机构和发电机构并不局限于上述具体的结构，传动机构可以采用其他常规适用的可以将往不同旋转方向的力矩输入转化成单一转动方向的力矩输出的传动机构，发电机构也可以采用其他常规适用的发电机构。
本发明的波浪发电装置对波浪反应极灵敏，能高效率捕捉各种波浪的动能发电,包括在海洋和在浪幅较小的湖泊河川水面的波浪，这种发电装置不需要传统昂贵的地面或水底基建或复杂的机械设置，只使用锚7和绳链8把浮台20定位便可在海上或在内陆任何有波浪的水面上建立运作发电，供电给岸上设备或停泊的船只使用，同时浮标兼可供船只停泊。此外，本发明的波浪发电装置的浮台可以是船只，这样，无论船只在停泊或巡航中，发电装置可提供源源不断的电能给船只使用。若联用多个波浪发电装置，这更可以发展为大型波浪发电系统。
海洋占地球面积70%以上，分布在陆地上的湖泊河川数之不尽,只要水面没有绝对冰封，无论邻近海岸或远至内陆,本发明的波浪发电浮台装置就可以可长年运作。由于建设成本廉宜,结构简单,维护方便且发电效能高，本发明的波浪发电装置可轻易推广遍及全球，提升可再生能源的使用。在全球高态呼吁鼓励应用再生能源下，本发明装置的商业发展前景无限，而且具有很好的现实意义。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (10)
1.一种波浪发电装置，其特征在于，包括具有甲板(21)的浮台(20)、以及设置在所述甲板(21)上的摆锤机构，所述摆锤机构包括竖杆(13)、横杆(12)和摆锤(11)，所述竖杆(13)设置在所述甲板(21)上，且所述竖杆(13)可绕自身轴线往复转动，所述横杆(12)设置在所述竖杆(13)的上端，所述摆锤(11)与所述横杆(12)滑动连接；所述竖杆(13)与竖直方向呈一定的夹角，所述横杆(12)与水平方向平行；
所述波浪发电装置还包括与所述竖杆(13)下端相连的传动机构、以及与所述传动机构相连的发电机构。
2.根据权利要求1所述的波浪发电装置，其特征在于，所述传动机构包括万向联轴器(30)、以及与所述万向联轴器(30)相连的齿轮传动机构，所述万向联轴器(30)的一端与所述竖杆(13)相连，另一端与所述齿轮传动机构相连。
3.根据权利要求2所述的波浪发电装置，其特征在于，所述齿轮传动机构包括输入轴(17)，所述输入轴(17)的上端与所述万向联轴器(30)相连，所述输入轴(17)的下端设有第一主动锥齿轮(411)，所述齿轮传动机构还包括与所述第一主动锥齿轮(411)啮合的第一从动锥齿轮(412)、以及与所述第一从动锥齿轮(412)相连的链条传动组件，所述链条传动组件包括主动齿轮(421)、从动齿轮(422)以及链条(420)，所述主动齿轮(421)与所述第一从动锥齿轮(412)相连，所述从动齿轮(422)设置在单向齿轮轴(430)的中部，所述单向齿轮轴(430)的两端分别设有第一棘轮(431)和第二棘轮(432)，所述第一棘轮(431)和第二棘轮(432)的旋转方向相反，第二棘轮(432)与输出齿轮(45)啮合，所述输出齿轮(45)设置在输出轴(16)上，所述输出轴(16)与所述发电机构相连；
所述齿轮传动机构还包括传动轴(15)，以及设置在传动轴(15)两端的第一传动齿轮(441)和第二传动齿轮(442)，所述第一传动齿轮(441)通过第三传动齿轮(443)与第一棘轮(431)配合，所述第二传动齿轮(442)与所述第二棘轮(432)啮合。
4.根据权利要求3所述的波浪发电装置，其特征在于，所述齿轮传动机构还包括主轴(14)，所述主轴(14)的上端铰接有多个离心球摆(140)，所述主轴(14)的下端设有第一传动锥齿轮(413)，所述传动轴(15)的中部设有与所述第一传动锥齿轮(413)相啮合的第二传动锥齿轮(414)。
5.根据权利要求1所述的波浪发电装置，其特征在于，所述发电机构为液压发电机构，所述液压发电机构包括液压油箱(59)、增压泵(51)、液压油输入接口(56)、液压油输入总管(57)、涡轮机(52)、发电机(6)、以及连接各部分的油管(54)，所述增压泵(51)的与所述传动机构的输出轴(16)相连，所述增压泵(51)的出油口与所述液压油输入接口(56)相连，所述液压油输入接口(56)设置在所述液压油输入总管(57)上，所述液压油输入总管(57)与所述涡轮机(52)的进油口相连，所述涡轮机(52)的出油口与所述液压油箱(59)相连，所述涡轮机(52)的输出端与所述发电机(6)相连。
6.根据权利要求5所述的波浪发电装置，其特征在于，所述液压油输入总管(57)和所述涡轮机(52)之间设置有液压储能器(53)，所述液压储能器(53)的进口和出口设置有单向阀(55)。
7.根据权利要求2所述的波浪发电装置，其特征在于，所述发电机构为与所述齿轮传动机构的输出轴(16)相连接的发电机(6)。
8.根据权利要求1所述的波浪发电装置，其特征在于，所述浮台(20)为半球形或球缺形。
9.根据权利要求8所述波浪发电装置，其特征在于，所述波浪发电装置还包括绳链(8)和锚(7)，所述绳链(8)一端与所述锚(7)连接，另一端固定在所述浮台(20)的水平轴线的两端。
10.根据权利要求1所述的波浪发电装置，其特征在于，所述浮台(20)上设有多个所述摆锤机构，相邻的摆锤机构的竖杆(13)的高度不同；所述摆锤(11)包括多个层叠在一起且个数可变的摆锤单元；所述竖杆(13)设置在靠近所述浮台(20)边缘的位置。
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