CN111075642B - 一种平衡稳定的垂直式风力发电装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平衡稳定的垂直式风力发电装置，包括若干分别通过各风叶支架设置在发电机组件上的风叶，所述风叶包括固定叶片、活动叶片和复位机构，所述固定叶片固定设置在风叶支架上，所述活动叶片设置在固定叶片与风叶转动中心轴线之间，且所述活动叶片沿垂直于转动中心轴线的方向滑动设置在固定叶片上，所述复位机构设置在活动叶片与固定叶片之间，且所述活动叶片通过复位机构向远离于固定叶片的一侧滑动复位；所述活动叶片通过风轮高速转动离心运动向外滑动使所述风叶的受风面面积减小，能对风轮进行减速和平衡，保证其稳定发电工作。

Description

一种平衡稳定的垂直式风力发电装置及其方法
技术领域
本发明属于风力发电领域，特别涉及一种平衡稳定的垂直式风力发电装置及其方法。
背景技术
风力发电机根据旋转轴的不同分为水平型和垂直型。与水平轴风力发电机相比，垂直轴风力发电机的主要优势在于不需要偏航系统，使得设计得到显著简化。风力发电机的电力输出与风速关系较为密切，为了避免过高的风速损坏发电机，通常当风速过高时便需要停机或者通过制动装置进行降速。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种平衡稳定的垂直式风力发电装置及其方法，能对风轮进行减速和平衡，保证其稳定发电工作。
技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种平衡稳定的垂直式风力发电装置，包括若干分别通过各风叶支架设置在发电机组件上的风叶，所述风叶包括固定叶片、活动叶片和复位机构，所述固定叶片固定设置在风叶支架上，所述活动叶片设置在固定叶片与风叶转动中心轴线之间，且所述活动叶片沿垂直于转动中心轴线的方向滑动设置在固定叶片上，所述复位机构设置在活动叶片与固定叶片之间，且所述活动叶片通过复位机构向远离于固定叶片的一侧滑动复位；所述活动叶片通过风轮高速转动离心运动向外滑动使所述风叶的受风面面积减小。
进一步的，所述复位机构包括第一磁力件和第二磁力件，所述第一磁力件设置活动叶片上，所述第二磁力件设置固定叶片上，且所述第一磁力件与第二磁力件在滑动方向上同极性相对设置；靠近状态下的所述活动叶片通过第一磁力件、第二磁力件的互斥复位。
进一步的，所述第一磁力件的顶端通过转轴转动设置在活动叶片上，且所述第一磁力件的转动轴线垂直于活动叶片的平面；所述第一磁力件在离心作用下向上偏转，所述第一磁力件与第二磁力件在活动叶片的滑动方向上的正相对的磁力面面积减小。
进一步的，还包括离心翻转机构，所述翻转机构设置在第一磁力件远离于第二磁力件的一侧，所述离心翻转机构在风轮高速转动状态下驱动第一磁力件向上翻转；
所述离心翻转机构包括固定座、导向杆和复位弹簧，所述固定座设置在活动叶片上，所述导向杆活动穿设在固定座上，且所述导向杆的长度方向与活动叶片的滑动方向相同，所述复位弹簧套设在导向杆上，且所述复位弹簧的一端连接于固定座上，另一端连接于导向杆的一端上，所述第一磁力件位于导向杆的伸缩路径上。
进一步的，还包括连接杆，所述第一磁力件上顶部与连接杆的一端连接，且所述第一磁力件与连接杆呈V型设置，所述连接杆的另一端与导向杆靠近于第一磁力件的一端铰接设置，所述导向杆或连接杆上还设置有配重件。
进一步的，还包括设置在活动叶片与固定叶片之间的临界保持机构，所述临界保持机构设置在固定叶片上，且所述临界保持机构设置在活动叶片的滑动路径上，所述临界保持机构限制风轮在低速转动状态下的活动叶片与固定叶片保持固定。
进一步的，所述临界保持机构包括铰接杆和弹性牵拉体，所述固定叶片的底部包含滑动底座，所述滑动底座沿活动叶片的滑动方向开设有滑动导槽，所述活动叶片滑动在所述滑动导槽内，所述滑动底座上包含上下贯通的活动通槽，所述活动通槽内在竖向平面内转动设置有铰接杆，所述铰接杆的两端分别伸出活动通槽外，所述铰接杆的顶端为自由端，所述铰接杆的底端通过弹性牵拉体连接于滑动底座的底壁上，且所述铰接杆的顶端通过弹性牵拉体向靠近于风轮转动中心的一侧偏转，所述铰接杆的顶端抵接在活动叶片的侧壁上；
当所述活动叶片的离心力小于铰接杆对活动叶片的预顶压力的状态下，所述活动叶片与固定叶片相对固定；当所述活动叶片的离心力大于铰接杆对活动叶片的预顶压力的状态下，且所述活动叶片反向驱动铰接杆转动，所述活动叶片相对于固定叶片向远离于风轮转动中心的一侧滑动。
进一步的，还包括设置在活动叶片上的助力组件，所述助力组件增加活动叶片的离心力；所述助力组件包括离心块、牵引绳和压绳轮，所述压绳轮设置在固定叶片上远离与风轮转动中心的一侧，所述压绳轮与固定叶片之间间距设置且形成穿绳通道，所述牵引绳穿设在穿绳通道内，所述牵引绳的一端连接于活动叶片上，且另一端连接有离心块。
一种平衡稳定的垂直式风力发电装置的平衡方法，风轮包括工作速度转动状态、超速转动状态和减速平衡状态；
工作速度转动状态下：所述活动叶片位于远离固定叶片的一侧的最大行程处，风叶有最大的受风面积，且铰接杆在弹性牵拉体牵拉的状态下，使得铰接杆的顶端向活动叶片的侧壁偏转，所述铰接杆的底端顶压在活动叶片上，以使得活动叶片与固定叶片相对固定；
在超速转动状态下：所述第一磁力件离心运动，所述第一磁力件11向上偏转至垂直于第二磁力件的磁力面，所述第一磁力件与第二磁力件的互斥力最小；
且在风轮高速转动的同时，所述活动叶片在高速转动过程中产生离心力，且同时离心块离心运动对活动叶片产生拉力作用，当活动叶片的离心力以及离心块的拉力合力大于弹性牵拉体对铰接杆的牵拉作用时，活动叶片反向驱动铰接杆转动，且向远离于风轮中心的方向滑动位移，所述活动叶片与固定叶片在风向方向上重叠，风叶的受风面面积减小，风轮降速；
减速平衡状态：随着风速降低，风轮的转动速度降低，所述活动叶片、离心块以及第一磁力件的离心力减小，此时，离心力减小的第一磁力件通过复位弹簧的回复变形进行复位，第一磁力件向下偏转，则第一磁力件与第二磁力件的互斥面面积增加，斥力增加，活动叶片向远离于固定叶片的一侧滑动位移，则风叶受风面面积增加，风轮速度增加，活动叶片与固定叶片保持相对固定的状态。
有益效果：本发明中的活动叶片在风轮的高速转动中，能够产生离心作用，从而使得活动叶片向固定叶片的一侧滑动位移，从而减小各风叶的受风面面积，进行风轮降速，以避免风轮转动过快而损坏发电机机组，且在风速减小时，通过复位机构能够使得活动叶片复位，保持最大面积的受风面面积，保证风轮转速。
附图说明
附图1为本发明的整体结构的立体示意图；
附图2为本发明的风叶的结构示意图；
附图3为本发明在工作转速状态下的复位机构的示意图；
附图4为本发明在工作转速状态下的临界保持机构的示意图；
附图5为本发明在超速状态下的复位机构的示意图；
附图6为本发明在超速状态下的临界保持机构的示意图；
附图7为本发明临界保持机构的立体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如附图1至附图3示意图，一种平衡稳定的垂直式风力发电装置，包括若干分别通过各个风叶支架1设置在发电机组件上的风叶2，所述风叶2包括固定叶片3、活动叶片4和复位机构5，固定叶片3、活动叶片4均为矩形状的板体结构，且风叶2的一侧面包含凸缘，以用于与气流充分作用，以提供风叶的动力，所述固定叶片3固定设置在风叶支架1上，所述活动叶片4设置在固定叶片3与风叶2转动中心轴线之间，且所述活动叶片4沿垂直于转动中心轴线的方向滑动设置在固定叶片3上，所述复位机构5设置在活动叶片4与固定叶片3之间，且所述活动叶片4通过复位机构5向远离于固定叶片3的一侧滑动复位；所述活动叶片4通过风轮高速转动离心运动向外滑动使所述风叶2的受风面面积减小。所述活动叶片4在风轮的高速转动中，能够产生离心作用，从而使得活动叶片4向固定叶片3的一侧滑动位移，从而减小各风叶2的受风面面积，进行风轮降速，以避免风轮转动过快而损坏发电机机组，且在风速减小时，通过复位机构5能够使得活动叶片4复位，保持最大面积的受风面面积，保证风轮转速。
其中一实施例为，所述复位机构5为弹簧复位件，且所述弹簧复位件的两端分别设置在固定叶片3和活动叶片4上，且所述弹簧复位件的伸缩方向与活动叶片4的滑动方向相同，活动叶片4通过弹簧复位件连接于固定叶片3上，结构简单，能根据风速快速的调整迎风面的面积。
所述复位机构5还包括第二实施例：如附图3所示，所述复位机构5包括第一磁力件11和第二磁力件12，其均为永磁铁，所述第一磁力件11设置活动叶片4上，所述第二磁力件12设置固定叶片3上，且所述第一磁力件11与第二磁力件12在滑动方向上同极性相对设置；靠近状态下的所述活动叶片4通过第一磁力件11、第二磁力件12的互斥复位，其不仅结构更加简单，而且更加稳定，噪音更小，且可通过更换不同截面积大小的磁力件，以适用风速的调整。
如附图3和附图5所示，所述第一磁力件11的顶端通过转轴20转动设置在活动叶片4上，且所述第一磁力件11的转动轴线垂直于活动叶片4的平面；所述第一磁力件11在离心作用下向上偏转，所述第一磁力件11与第二磁力件12在活动叶片的滑动方向上的正相对的磁力面面积减小，第一磁力件11通过转轴20相对活动叶片4转动，在离心偏转时，第一磁力件11能够减小与第二磁力件的互斥力，以使得活动叶片能够尽可能的向固定叶片滑动，消除其不能转动情况下，第一磁力件与第二磁力件的行程终点的排斥间距。
还包括上限位块14和下限位块13，所述上限位块14与转轴20共水平面，所述上限位块14限位第一磁力件11向上转动的位置，所述上限位块14设置在朝向与第二磁力间12的一侧，所述第一磁力件11为块状的永磁铁，通过上限位块14使得第一磁力件14最高偏转至呈水平面，也即第一磁力件与第二磁力件的互斥磁力面呈90°，互斥力最小。所述下限位块13与转轴20共竖向面，所述下限位块13位于转轴20的下方，所述下限位块13限制第一磁力件11向背离于第二磁力件一侧的偏转角度，使得第一磁力件11能够稳定的与第二磁力件产生互斥作用，从而使得在风轮低速转动状态下活动叶片4远离于固定叶片3。
还包括离心翻转机构，所述翻转机构设置在第一磁力件11远离于第二磁力件12的一侧，所述离心翻转机构在风轮高速转动状态下驱动第一磁力件11向上翻转；以保证第一磁力件11能够向上偏转。
所述离心翻转机构包括固定座18、导向杆15和复位弹簧16，所述固定座18设置在活动叶片4上，所述导向杆15活动穿设在固定座18上，且所述导向杆15的长度方向与活动叶片4的滑动方向相同，所述复位弹簧16套设在导向杆15上，且所述复位弹簧16的一端连接于固定座18上，另一端通过端板17连接于导向杆15的一端上，所述第一磁力件11位于导向杆15的伸缩路径上，通过导向杆15的自由端在离心作用下对第一磁力件11进行驱动，能够使得第一磁力件稳定的向上偏转，且防止其向下的颤动，保证第一磁力件11偏转后的稳定性。
还包括连接杆21，所述第一磁力件11上顶部与连接杆21的一端连接，且所述第一磁力件11与连接杆21呈V型设置，所述连接杆21的另一端与导向杆15靠近于第一磁力件11的一端铰接设置，所述导向杆15或连接杆21上还设置有配重件19，通过配重件19能够增加导向杆15在离心作用时的离心力，以使其驱动第一磁力件，且通过连接杆21能够进一步的增加第一磁力件在偏转状态下的稳定性。
如附图4、附图6和附图7所示，还包括设置在活动叶片4与固定叶片3之间的临界保持机构6，所述临界保持机构设置在固定叶片3上，且所述临界保持机构6设置在活动叶片4的滑动路径上，所述临界保持机构6限制风轮在低速转动状态下的活动叶片4与固定叶片3保持固定。以使得，当风速超过一定程度时，活动叶片4才能够与固定叶片3发生相对滑动，而在风速低于一定程度时，风轮转动仍在正常允许的范围内时，活动叶片4通过连接保持机构6进行保持，此状态下，风叶2仍具有最大的受风面。
所述临界保持机构6包括铰接杆33和弹性牵拉体36，所述固定叶片3的底部包含滑动底座37，所述滑动底座37沿活动叶片4的滑动方向开设有滑动导槽30，所述活动叶片4的底部设置有滑块31，所述滑块31滑动在所述滑动导槽30内，且所述滑动导槽30在长度方向上的两端为封闭端，以进行行程限位。所述滑动底座37上包含上下贯通的活动通槽32，所述活动通槽32内在竖向平面内转动设置有铰接杆33，所述铰接杆33的两端分别伸出活动通槽32外，所述铰接杆33的顶端为自由端，所述铰接杆33的底端通过弹性牵拉体36连接于滑动底座37的底壁上，其中所述弹性牵拉体36为弹簧，其一端连接于铰接杆33的底端，另一端向远离于风轮转动中心的一侧设置在固定叶片3上，所述铰接杆33的顶端通过弹性牵拉体36向靠近于风轮转动中心的一侧偏转，所述铰接杆33的顶端抵接在活动叶片4的侧壁上；
当所述活动叶片4的离心力小于铰接杆33对活动叶片4的预顶压力的状态下，所述活动叶片4与固定叶片3相对固定；当所述活动叶片4的离心力大于铰接杆33对活动叶片4的预顶压力的状态下，且所述活动叶片4反向驱动铰接杆33转动，所述活动叶片4相对于固定叶片3向远离于风轮转动中心的一侧滑动。
工作速度转动状态下：所述活动叶片4位于远离固定叶片3的一侧的最大行程处，风叶2有最大的受风面积，且铰接杆33在弹性牵拉体36牵拉的状态下，使得铰接杆33的顶端向活动叶片4的侧壁偏转，所述铰接杆33的底端顶压在活动叶片4上，以使得活动叶片4与固定叶片3相对固定。
在风轮高速转动的同时，所述活动叶片4在高速转动过程中产生离心力，且同时离心块38离心运动对活动叶片4产生拉力作用，当活动叶片4的离心力以及离心块38的拉力合力大于弹性牵拉体36对铰接杆33的牵拉作用时，活动叶片4反向驱动铰接杆33转动，且向远离于风轮中心的方向滑动位移，所述活动叶片4与固定叶片3在风向方向上重叠，风叶2的受风面面积减小，风轮降速。
如附图4和附图7所示，还包括设置在活动叶片4上的助力组件，所述助力组件增加活动叶片4的离心力；所述助力组件包括离心块38、牵引绳35和压绳轮34，所述压绳轮34设置在固定叶片3上远离与风轮转动中心的一侧，所述压绳轮34的转轴为竖向设置，且压绳轮34转动设置，以减小牵引绳35的摩擦力，保证离心动作快速反应。所述压绳轮34与固定叶片3之间间距设置且形成穿绳通道40，所述牵引绳35穿设在穿绳通道40内，所述牵引绳35的一端连接于活动叶片4上，且另一端连接有离心块38，通过离心块38能够增加活动叶片4的离心力，通过对离心块38的配重，以适用超速时离心力的临界值。
一种平衡稳定的垂直式风力发电装置的平衡方法，风轮包括工作速度转动状态、超速转动状态和减速平衡状态；
工作速度转动状态下：所述活动叶片4位于远离固定叶片3的一侧的最大行程处，风叶2有最大的受风面积，且铰接杆33在弹性牵拉体36牵拉的状态下，使得铰接杆33的顶端向活动叶片4的侧壁偏转，所述铰接杆33的底端顶压在活动叶片4上，以使得活动叶片4与固定叶片3相对固定；
在超速转动状态下：所述第一磁力件11离心运动，所述第一磁力件11向上偏转至垂直于第二磁力件12的磁力面，所述第一磁力件11与第二磁力件12的互斥力最小；
且在风轮高速转动的同时，所述活动叶片4在高速转动过程中产生离心力，且同时离心块38离心运动对活动叶片4产生拉力作用，当活动叶片4的离心力以及离心块38的拉力合力大于弹性牵拉体36对铰接杆33的牵拉作用时，活动叶片4反向驱动铰接杆33转动，且向远离于风轮中心的方向滑动位移，所述活动叶片4与固定叶片3在风向方向上重叠，风叶2的受风面面积减小，风轮降速；
减速平衡状态：随着风速降低，风轮的转动速度降低，所述活动叶片4、离心块38以及第一磁力件11的离心力减小，此时，离心力减小的第一磁力件11通过复位弹簧16的回复变形进行复位，第一磁力件11向下偏转，则第一磁力件11与第二磁力件12的互斥面面积增加，斥力增加，活动叶片4向远离于固定叶片3的一侧滑动位移，则风叶受风面面积增加，风轮速度增加，活动叶片4与固定叶片3保持相对固定的状态。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种平衡稳定的垂直式风力发电装置，其特征在于：包括若干分别通过各风叶支架(1)设置在发电机组件上的风叶(2)，所述风叶(2)包括固定叶片(3)、活动叶片(4)和复位机构(5)，所述固定叶片(3)固定设置在风叶支架(1)上，所述活动叶片(4)设置在固定叶片(3)与风叶(2)转动中心轴线之间，且所述活动叶片(4)沿垂直于转动中心轴线的方向滑动设置在固定叶片(3)上，所述复位机构(5)设置在活动叶片(4)与固定叶片(3)之间，且所述活动叶片(4)通过复位机构(5)向远离于固定叶片(3)的一侧滑动复位；所述活动叶片(4)通过风轮高速转动离心运动向外滑动使所述风叶(2)的受风面面积减小；
所述复位机构(5)包括第一磁力件(11)和第二磁力件(12)，所述第一磁力件(11)设置活动叶片(4)上，所述第二磁力件(12)设置固定叶片(3)上，且所述第一磁力件(11)与第二磁力件(12)在滑动方向上同极性相对设置；靠近状态下的所述活动叶片(4)通过第一磁力件(11)、第二磁力件(12)的互斥复位；
所述第一磁力件(11)的顶端通过转轴(20)转动设置在活动叶片(4)上，且所述第一磁力件(11)的转动轴线垂直于活动叶片(4)的平面；所述第一磁力件(11)在离心作用下向上偏转，所述第一磁力件(11)与第二磁力件(12)在活动叶片的滑动方向上的正相对的磁力面面积减小；
还包括离心翻转机构，所述翻转机构设置在第一磁力件(11)远离于第二磁力件(12)的一侧，所述离心翻转机构在风轮高速转动状态下驱动第一磁力件(11)向上翻转；
所述离心翻转机构包括固定座(18)、导向杆(15)和复位弹簧(16)，所述固定座(18)设置在活动叶片(4)上，所述导向杆(15)活动穿设在固定座(18)上，且所述导向杆(15)的长度方向与活动叶片(4)的滑动方向相同，所述复位弹簧(16)套设在导向杆(15)上，且所述复位弹簧(16)的一端连接于固定座(18)上，另一端连接于导向杆(15)的一端上，所述第一磁力件(11)位于导向杆(15)的伸缩路径上；
还包括连接杆(21)，所述第一磁力件(11)上顶部与连接杆(21)的一端连接，且所述第一磁力件(11)与连接杆(21)呈V型设置，所述连接杆(21)的另一端与导向杆(15)靠近于第一磁力件(11)的一端铰接设置，所述导向杆(15)或连接杆(21)上还设置有配重件(19)；
还包括设置在活动叶片(4)与固定叶片(3)之间的临界保持机构(6)，所述临界保持机构设置在固定叶片(3)上，且所述临界保持机构(6)设置在活动叶片(4)的滑动路径上，所述临界保持机构(6)限制风轮在低速转动状态下的活动叶片(4)与固定叶片(3)保持固定；
所述临界保持机构(6)包括铰接杆(33)和弹性牵拉体(36)，所述固定叶片(3)的底部包含滑动底座(37)，所述滑动底座(37)沿活动叶片(4)的滑动方向开设有滑动导槽(30)，所述活动叶片(4)滑动在所述滑动导槽(30)内，所述滑动底座(37)上包含上下贯通的活动通槽(32)，所述活动通槽(32)内在竖向平面内转动设置有铰接杆(33)，所述铰接杆(33)的两端分别伸出活动通槽(32)外，所述铰接杆(33)的顶端为自由端，所述铰接杆(33)的底端通过弹性牵拉体(36)连接于滑动底座(37)的底壁上，且所述铰接杆(33)的顶端通过弹性牵拉体(36)向靠近于风轮转动中心的一侧偏转，所述铰接杆(33)的顶端抵接在活动叶片(4)的侧壁上；
当所述活动叶片(4)的离心力小于铰接杆(33)对活动叶片(4)的预顶压力的状态下，所述活动叶片(4)与固定叶片(3)相对固定；当所述活动叶片(4)的离心力大于铰接杆(33)对活动叶片(4)的预顶压力的状态下，且所述活动叶片(4)反向驱动铰接杆(33)转动，所述活动叶片(4)相对于固定叶片(3)向远离于风轮转动中心的一侧滑动；
还包括设置在活动叶片(4)上的助力组件，所述助力组件增加活动叶片(4)的离心力；所述助力组件包括离心块(38)、牵引绳(35)和压绳轮(34)，所述压绳轮(34)设置在固定叶片(3)上远离与风轮转动中心的一侧，所述压绳轮(34)与固定叶片(3)之间间距设置且形成穿绳通道(40)，所述牵引绳(35)穿设在穿绳通道(40)内，所述牵引绳(35)的一端连接于活动叶片(4)上，且另一端连接有离心块(38)。
2.根据权利要求1所述的一种平衡稳定的垂直式风力发电装置的平衡方法，其特征在于：风轮包括工作速度转动状态、超速转动状态和减速平衡状态；
工作速度转动状态下：所述活动叶片(4)位于远离固定叶片(3)的一侧的最大行程处，风叶(2)有最大的受风面积，且铰接杆(33)在弹性牵拉体(36)牵拉的状态下，使得铰接杆(33)的顶端向活动叶片(4)的侧壁偏转，所述铰接杆(33)的底端顶压在活动叶片(4)上，以使得活动叶片(4)与固定叶片(3)相对固定；
在超速转动状态下：所述第一磁力件(11)离心运动，所述第一磁力件11向上偏转至垂直于第二磁力件(12)的磁力面，所述第一磁力件(11)与第二磁力件(12)的互斥力最小；
且在风轮高速转动的同时，所述活动叶片(4)在高速转动过程中产生离心力，且同时离心块(38)离心运动对活动叶片(4)产生拉力作用，当活动叶片(4)的离心力以及离心块(38)的拉力合力大于弹性牵拉体(36)对铰接杆(33)的牵拉作用时，活动叶片(4)反向驱动铰接杆(33)转动，且向远离于风轮中心的方向滑动位移，所述活动叶片(4)与固定叶片(3)在风向方向上重叠，风叶(2)的受风面面积减小，风轮降速；
减速平衡状态：随着风速降低，风轮的转动速度降低，所述活动叶片(4)、离心块(38)以及第一磁力件(11)的离心力减小，此时，离心力减小的第一磁力件(11)通过复位弹簧(16)的回复变形进行复位，第一磁力件(11)向下偏转，则第一磁力件(11)与第二磁力件(12)的互斥面面积增加，斥力增加，活动叶片(4)向远离于固定叶片(3)的一侧滑动位移，则风叶受风面面积增加，风轮速度增加，活动叶片(4)与固定叶片(3)保持相对固定的状态。
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