CN111711379A - 一种基于摩擦电效应的雨水能量收集系统及收集方法 - Google Patents

一种基于摩擦电效应的雨水能量收集系统及收集方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种基于摩擦电效应的水滴能量收集系统及收集方法，系统包括液滴喷雾装置、旋转式液滴发电机和外部负载电路；液滴喷雾装置包括储水罐和雾化喷嘴，雾化喷嘴喷出形成雾状液滴；旋转式液滴发电机包括发电机外壳、叶片、支撑肋、同心圆环电极、正极引出电极和负极引出电极；多个所述叶片沿径向分布在发电机外壳外部；雾状液滴喷向所述叶片表面；多个所述叶片之间电路串联，串联后的正负极分别连接正极引出电极和负极引出电极；同心圆环电极和支撑肋安装在发电机外壳内部，正极引出电极和负极引出电极与同心圆环电极形成电刷；所述外部负载电路与电刷电连接。本发明可以通过液滴的反复撞击或使用压电效应产生电场，实现高效的发电。

Description

一种基于摩擦电效应的雨水能量收集系统及收集方法
技术领域
本发明属于纳米摩擦发电领域，具体涉及一种基于摩擦电效应的雨水能量收集系统及收集方法。
背景技术
在能源形势日益严重的今天，如何清洁高效地获取能量成为一个我们无法忽视的问题，自然界丰富的降水资源和潮汐可以成为一种清洁的能量来源。但是传统的水力发电主要使用电磁发电机，电磁发电机要求充足的供水量并且笨重而效率低下，因此并不适合收集小规模雨水的能量。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于摩擦电效应的雨水能量收集系统及收集方法，以解决现有技术中小规模能量无法充分利用的技术问题。本发明可从撞击的水滴中收集能量，不仅能产生大量电荷还能实现电荷的快速转移。瞬时功率相较现有的摩擦发电机可提高几个数量级。该能量收集系统可广泛应用于雨水能量的收集。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现：
一种基于摩擦电效应的雨水能量收集系统，包括液滴喷雾装置、旋转式液滴发电机和外部负载电路；
所述液滴喷雾装置包括储水罐和雾化喷嘴，储水罐的水经由雾化喷嘴喷出形成雾状液滴；
所述旋转式液滴发电机包括发电机外壳、叶片、支撑肋、同心圆环电极、正极引出电极和负极引出电极；
多个所述叶片沿径向分布在发电机外壳外部；所述雾状液滴喷向所述叶片表面；多个所述叶片之间电路串联，串联后的正负极分别连接正极引出电极和负极引出电极；
所述同心圆环电极和支撑肋安装在发电机外壳内部，正极引出电极和负极引出电极的端部设置在支撑肋，且正极引出电极和负极引出电极分别与同心圆环电极的内外圈电刷接触，支撑肋与同心圆环电极相对转动；正极引出电极和负极引出电极与同心圆环电极形成电刷；
所述外部负载电路与所述电刷连接。
作为本发明的进一步改进，所述液滴喷雾装置还包括高压氮气瓶、减压阀、离子源溶液室和离子浓度计，高压氮气瓶经由减压阀通过密闭管道与储水罐相连，离子源溶液室与储水罐连接，离子浓度计设置在储水罐上，且离子浓度计探针浸没于储水罐内。
作为本发明的进一步改进，所述雾化喷嘴上设置有用于控制喷雾液滴大小、速度和密度的控制阀。
作为本发明的进一步改进，所述叶片包括高聚物薄膜、导电介质、压电薄膜、铝电极、正极连接导线和负极连接导线，所述铝电极、高聚物薄膜、导电介质和压电薄膜依次贴合连接，压电薄膜引出的正极与导电介质通过正极连接导线相连接，压电薄膜引出的负极与铝电极通过负极连接导线相连接；多个所述叶片之间通过正极连接导线与负极连接导线实现串联。
作为本发明的进一步改进，所述同心圆环电极包括绝缘衬底和两个同心设置的环形石墨电极，两个环形石墨电极固定在绝缘衬底内外圈上。
作为本发明的进一步改进，所述支撑肋一端与外壳相连，一端汇集至圆周中心的过轴孔；过轴孔内设置有转轴，转轴另一端与所述绝缘衬底中心连接，同心圆环电极固定不动。
作为本发明的进一步改进，正极引出电极与负极引出电极固定在一组对称的支撑肋上，并且正极引出电极与负极引出电极距离同心圆环电极中心距离不等，旋转轨迹构成同心圆。
作为本发明的进一步改进，所述外部负载电路c包括AC-DC电路和负载；所述AC-DC转换电路与电刷相连接，AC-DC电路与负载相连接。
作为本发明的进一步改进，所述负载为若干LED灯组成的网络或其他直流负载。
一种基于摩擦电效应的雨水能量收集方法，包括以下步骤：
将储水罐中的水经雾化喷嘴喷出形成雾状液滴；
喷雾液滴群撞击至叶片上，叶片旋转带动支撑肋旋转，使得各叶片交替接受喷雾撞击，使残留液滴快速从叶片表面排出；
喷雾形成的液滴群与叶片撞击并摩擦产生电荷，数个叶片经串联后其正负极分别连接到正极引出电极和负极引出电极，正极引出电极和负极引出电极与同心圆环电极形成电刷，产生的电流引出至外部负载电路。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明基于摩擦电效应的雨水能量收集系统与传统的液滴发电机相比，该液滴发电机可以通过液滴的反复撞击或使用压电效应产生电场促进液滴与高聚物薄膜电子交换使得固体表面的电荷密度大大提高，使其带有足够多的电荷以实现高效的发电。本发明液滴喷雾装置将雨水转化为雾状液滴，并通过旋转式液滴发电机从撞击的水滴中收集能量，不仅能产生大量电荷还能实现电荷的快速转移。瞬时功率相较现有的摩擦发电机可提高几个数量级。该能量收集系统可广泛应用于雨水能量的收集，并为外部负载电路实现供电。
进一步，采用了类场效应管晶体管(FET)三极管结构设计，铝电极和导电介质(如ITO玻璃)分别相当于源极和漏极，高聚物薄膜(如聚四氟乙烯)相当于栅极，带有离子的液滴和高聚物薄膜形成沟道接通漏极和源极，产生体效应。液滴与铝电极接触开始直至接触面积最大时，电荷从导电介质迅速转移到铝电极，而当两者接触面积由最大开始下降直至液滴脱离，电荷移动方向转向，从铝电极转移到导电介质。液滴与铝电极接触期间电路形成闭合回路，使得由摩擦引起的大量电荷快速转移形成电流。
进一步，该电机叶片设计简单，无需使用具有超疏水性等特殊功能的材料，直接以常规的PTFE膜、ITO导电玻璃板、铝电极和压电薄膜构成发电机也能使水滴碰撞装置后快速离开表面，使得电荷分离，从而增加PTFE表面的负电荷量。采用叶轮式结构，以适应大水量的冲击，在此设计下，无需使用具有超疏水性等特殊功能的材料。
进一步，使用压电薄膜在液滴撞击过程中实现对装置的预充电，缩短电荷积累直至饱和所需时间，并得以使其带有足够多的电荷以实现高效的发电。
进一步，采用了气压控制器驱动的液滴喷雾装置，能精确控制雾化喷嘴出口背压，从而有效控制雾滴的速度和流量，产生稳定的雾滴，从而使发电频率得到极大提升，电流也更加稳定。
附图说明
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
图1为本发明一种基于摩擦电效应的雨水能量收集系统示意图(以四叶片为例)；
图2为安装RDEG装置示意图；
图3为图2的测试图；
图4为RDEG装置叶轮结构三维示意图；
图5为RDEG装置叶片结构三维示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
结合下列附图，通过实例对本发明进一步进行说明。
请参阅图1所示，本发明为一种基于摩擦电效应的雨水能量收集系统，包括液滴喷雾装置a、旋转式液滴发电机b和外部负载电路c。
其中，液滴喷雾装置a由高压氮气瓶17、减压阀22、离子源溶液室15、离子浓度计23、控制阀24、雾化喷嘴6及储水罐16组成，高压氮气瓶17经由减压阀22通过密闭管道与储水罐16相连，离子源溶液室15与储水罐16连接，设置离子浓度计23监控储水罐内离子浓度以控制离子源溶液室内溶液量，离子浓度计探针浸没于储水罐内。雾化喷嘴6设置有控制阀24，维持雾化喷嘴上游压力恒定，雾化喷嘴出口压力为大气压，离子溶液在雾化喷嘴6中雾化。
液滴喷雾装置a中的高压氮气瓶17的出口与减压阀22连接，减压阀出口与储水罐16连接通过密闭管道连接，储水罐16下方连接有控制阀24，控制阀24出口与雾化喷嘴6的入口连接，储水罐16的水经由连接管道与控制阀24和雾化喷嘴6喷出形成雾状液滴。
旋转式液滴发电机b接受雾状液滴，喷雾形成的液滴群与叶片18上表面的高聚物薄膜1撞击并摩擦产生电荷，数个叶片18经串联后其正负极分别连接到正极引出电极10和负极引出电极11，正极引出电极10和负极引出电极11与同心圆环电极12形成电刷，连接外部负载电路c驱动负载21；喷雾液滴群撞击至叶片18上，叶片18旋转带动支撑肋8旋转，使得各叶片18交替接受喷雾撞击，使残留液滴快速从高聚物薄膜1表面排出，且保证摩擦发电的连续性。
请参阅图2和图3所示，旋转式摩擦发电机由叶片18、支撑结构及同心圆环电极构成。
其中，叶片18包括高聚物薄膜1、导电介质2、压电薄膜3、铝电极4、正极连接导线14和负极连接导线5。其中高聚物薄膜1可使用材料为聚四氟乙烯PTFE、丁醛橡胶等，导电介质2可使用材料为ITO导电玻璃等。
铝电极4、高聚物薄膜1、导电介质2、压电薄膜3依次紧密相贴。压电薄膜3引出的正极与导电介质2通过正极连接导线14相连接，压电薄膜3引出的负极与铝电极4通过负极连接导线5相连接，使压电薄膜3并联于叶片18电路。各叶片18电极之间串联连接，其正负极分别连接到正极引出电极10和负极引出电极11，正极引出电极10和负极引出电极11与同心圆环电极12形成电刷输出电流。
作为优选实施例，叶片18包括聚四氟乙烯(PTFE)膜1、ITO导电玻璃2、压电薄膜3、铝电极4、负极连接导线5及正极连接导线14。PTFE膜1的制备方式为将PTFE前驱体沉积在ITO玻璃3上，120度加热15分钟固化得到，压电薄膜3粘贴在ITO导电玻璃2背侧，其引出的正极与ITO导电玻璃2相连接，负极与铝电极4相连接。
支撑结构包括发电机外壳9、支撑肋8、过轴孔7、正极引出电极10以及负极引出电极11。过轴孔7与转轴过盈配合，四个叶片经过串联后正负极分别与正极引出电极10和负极引出电极11相连接。正极引出电极10与负极引出电极11固定在一组对称的肋上，并且两个引出电极相较转轴距离不等，旋转轨迹构成同心圆。
同心圆环电极由内外圈同心圆环电极12和绝缘衬底13构成。内外圈两个环形电极固定在绝缘衬底内外圈上，材质为石墨，两个环形电极分别与支撑结构的正极引出电极10与负极引出电极11相接触，同时绝缘衬底中心开有过轴孔，与转轴不配合，工作过程中石墨电刷固定。
作为优选实施例，叶片18有多个，叶片数目与喷雾液滴速度与密度相关，叶片数目必须大于维持装置连续转动与发电连续性的最小叶片数，各叶片18沿圆周均匀布置在圆形发电机外壳9上，支撑肋8一端与外壳9相连，一端汇集至圆周中心过轴孔7。
多个叶片18经过串联后正负极分别与正极引出电极10和负极引出电极11相连接。正极引出电极10与负极引出电极11固定在一组对称的支撑肋8上，并且两个引出电极较中心距离不等，旋转轨迹构成同心圆。同心圆环电极12固定在绝缘衬底13上，两个同心圆环电极12分别与正负极引出电极10、11相接触，同时绝缘衬底13中心开有过轴孔7，与转轴不配合。
请参阅图1所示，本发明的AC-DC转换电路20与正极引出电极10以及负极引出电极11和同心圆环电极12所形成的电刷相连接，用于调理高频交流电信号，转换为直流电信号，AC-DC电路与负载21相连接，外部负载可为若干LED灯组成的网络或其他直流负载。
本发明中叶片结构请参阅图5所示，铝电极4为薄片状或棒状，弯折成蛇形，用绝缘胶带粘贴于PTFE层1表面，其与压电薄膜负极相连接，PTFE膜附着于ITO导电玻璃2上，ITO导电玻璃板2与压电薄膜3正极相连接。这种压电薄膜和摩擦发电装置相并联的连接方式能够增强PTFE与雨水之间电子转移的驱动力，减少PTFE膜上电荷浓度达到饱和所需的撞击次数，并提高PTFE表面的最大电荷浓度。
本发明采用叶轮式结构，请参阅图3及图4所示，本设计简单，无需使用具有超疏水性等特殊功能的材料，直接以常规的PTFE膜1、ITO导电玻璃板2、压电薄膜3和铝电极4构成发电机也能使水滴碰撞装置后快速离开表面，使得电荷分离。采用叶轮式结构能够提升发电频率，强化表面排水效果，适应液滴的高频冲击。
本发明采用了气压控制器驱动的液滴喷雾装置，请参阅图1所示，雾化喷嘴6能够使含离子溶液雾化，其控制阀24能精确控制雾化喷嘴出口背压，从而有效控制雾滴的速度和流量，产生稳定的雾滴，从而使发电频率得到极大提升，电流也更加稳定。
雾化喷嘴6利用高压氮气瓶17加压将储水罐16中液体以喷雾形式喷出，产生雾化液滴群撞击叶片18。喷雾液滴大小、速度和密度可以通过减压阀或通过改变雾化喷嘴形式与内径调节。
本发明的基于摩擦电效应的水滴能量收集系统，可从撞击的水滴中收集能量。该装置使用导电介质衬底上的高聚物薄膜以及电极材料组成电气系统，采用了类场效应管晶体管(FET)三极管结构设计，使得整个发电过程形成闭合回路，不仅能产生大量电荷还能实现电荷的快速转移。瞬时功率相较现有的摩擦发电机可提高几个数量级。该能量收集系统可广泛应用于雨水能量的收集。
液滴喷雾装置主要通过高压氮气瓶来形成喷雾液滴，喷雾形成的液滴群与旋转叶片上表面的高聚物薄膜撞击并摩擦产生电荷，通过导线传递电荷引出电极，再经过转换电路即可驱动外部负载。喷雾液滴群撞击至叶片上，叶片旋转带动支撑肋旋转，使得各叶片交替接受喷雾撞击，使残留液滴快速从高聚物薄膜表面排出，且保证摩擦发电的连续性。
该装置使用导电介质如铟锡氧化物衬底上的高聚物薄膜如聚四氟乙烯薄膜以及电极材料组成电气系统，从撞击的水滴中收集能量。采用了类场效应管晶体管(FET)三极管结构设计，使得整个发电过程形成闭合回路，不仅能产生大量电荷还能实现电荷的快速转移。瞬时功率相较现有的摩擦发电机可提高几个数量级。该能量收集系统可广泛应用于雨水能量的收集。
本发明还提供一种基于摩擦电效应的雨水能量收集方法，包括以下步骤：
将储水罐16中的水经雾化喷嘴6喷出形成雾状液滴；
喷雾液滴群撞击至叶片18上，叶片18旋转带动支撑肋8旋转，使得各叶片18交替接受喷雾撞击，使残留液滴快速从叶片18表面排出；
喷雾形成的液滴群与叶片18撞击并摩擦产生电荷，数个叶片18经串联后其正负极分别连接到正极引出电极10和负极引出电极11，正极引出电极10和负极引出电极11与同心圆环电极12形成电刷，产生的电流引出至外部负载电路c。
与传统的液滴发电机相比，采用具有多个电极叶片的叶轮式结构，以适应大水量的撞击，利用旋转和液滴本身重力可实现液滴撞击后迅速从电极表面脱离，在此设计下，无需使用具有超疏水性等特殊功能的材料，另一方面，多个叶片旋转过程中多个叶片上的高聚物薄膜表面交替接受液滴撞击，提高了发电效率和功率输出的连续性。并且新型的液滴发电机使用压电薄膜在液滴撞击过程中实现对装置的预充电，缩短电荷积累直至饱和所需时间，并得以使其带有足够多的电荷以实现高效的发电。此外，本发明采用了带压气体的气压控制器驱动的液滴喷雾装置，可精确控制雾滴的速度和流量，从而产生稳定的雾滴。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本申请的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，A，B或C中的至少一项(个)，可以表示：A，B，C，“A和B”，“A和C”，“B和C”，或“A和B和C”，其中A，B，C可以是单个，也可以是多个。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于摩擦电效应的雨水能量收集系统，其特征在于，包括液滴喷雾装置(a)、旋转式液滴发电机(b)和外部负载电路(c)；
所述液滴喷雾装置(a)包括储水罐(16)和雾化喷嘴(6)，储水罐(16)的水经由雾化喷嘴(6)喷出形成雾状液滴；
所述旋转式液滴发电机(b)包括发电机外壳(9)、叶片(18)、支撑肋(8)、同心圆环电极(12)、正极引出电极(10)和负极引出电极(11)；
多个所述叶片(18)沿径向分布在发电机外壳(9)外部；所述雾状液滴喷向所述叶片(18)表面；多个所述叶片(18)之间电路串联，串联后的正负极分别连接正极引出电极(10)和负极引出电极(11)；
所述同心圆环电极(12)和支撑肋(8)安装在发电机外壳(9)内部，正极引出电极(10)和负极引出电极(11)的端部设置在支撑肋(8)，且正极引出电极(10)和负极引出电极(11)分别与同心圆环电极(12)的内外圈电刷接触，支撑肋(8)与同心圆环电极(12)相对转动；正极引出电极(10)和负极引出电极(11)与同心圆环电极(12)形成电刷；
所述外部负载电路(c)与所述电刷连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于摩擦电效应的雨水能量收集系统，其特征在于，所述液滴喷雾装置(a)还包括高压氮气瓶(17)、减压阀(22)、离子源溶液室(15)和离子浓度计(23)，高压氮气瓶(17)经由减压阀(22)通过密闭管道与储水罐(16)相连，离子源溶液室(15)与储水罐(16)连接，离子浓度计(23)设置在储水罐(16)上，且离子浓度计(23)探针浸没于储水罐(16)内。
3.根据权利要求1所述的一种基于摩擦电效应的雨水能量收集系统，其特征在于，所述雾化喷嘴(6)上设置有用于控制喷雾液滴大小、速度和密度的控制阀(24)。
4.根据权利要求1所述的一种基于摩擦电效应的雨水能量收集系统，其特征在于，所述叶片(18)包括高聚物薄膜(1)、导电介质(2)、压电薄膜(3)、铝电极(4)、正极连接导线(14)和负极连接导线(5)，所述铝电极(4)、高聚物薄膜(1)、导电介质(2)和压电薄膜(3)依次贴合连接，压电薄膜(3)引出的正极与导电介质(2)通过正极连接导线(14)相连接，压电薄膜(3)引出的负极与铝电极(4)通过负极连接导线(5)相连接；多个所述叶片(18)之间通过正极连接导线(14)与负极连接导线(5)实现串联。
5.根据权利要求1所述的一种基于摩擦电效应的雨水能量收集系统，其特征在于，所述同心圆环电极(12)包括绝缘衬底(13)和两个同心设置的环形石墨电极，两个环形石墨电极固定在绝缘衬底(13)内外圈上。
6.根据权利要求5所述的一种基于摩擦电效应的雨水能量收集系统，其特征在于，所述支撑肋(8)一端与外壳(9)相连，一端汇集至圆周中心的过轴孔(7)；过轴孔(7)内设置有转轴，转轴另一端与所述绝缘衬底(13)中心连接，同心圆环电极(12)固定不动。
7.根据权利要求1所述的一种基于摩擦电效应的雨水能量收集系统，其特征在于，正极引出电极(10)与负极引出电极(11)固定在一组对称的支撑肋(8)上，并且正极引出电极(10)与负极引出电极(11)距离同心圆环电极(12)中心距离不等，旋转轨迹构成同心圆。
8.根据权利要求1所述的一种基于摩擦电效应的雨水能量收集系统，其特征在于，所述外部负载电路c包括AC-DC电路(20)和负载(21)；所述AC-DC转换电路(20)与电刷相连接，AC-DC电路与负载(21)相连接。
9.根据权利要求1所述的一种基于摩擦电效应的雨水能量收集系统，其特征在于，所述负载为若干LED灯组成的网络或其他直流负载。
10.一种基于摩擦电效应的雨水能量收集方法，其特征在于，包括以下步骤：
将储水罐(16)中的水经雾化喷嘴(6)喷出形成雾状液滴；
喷雾液滴群撞击至叶片(18)上，叶片(18)旋转带动支撑肋(8)旋转，使得各叶片(18)交替接受喷雾撞击，使残留液滴快速从叶片(18)表面排出；
喷雾形成的液滴群与叶片(18)撞击并摩擦产生电荷，数个叶片(18)经串联后其正负极分别连接到正极引出电极(10)和负极引出电极(11)，正极引出电极(10)和负极引出电极(11)与同心圆环电极(12)形成电刷，产生的电流引出至外部负载电路(c)。
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