CN111902629B - 浮式风力发电平台 - Google Patents

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Abstract

一种用于海上发电的浮式风力发电平台(1)，该浮式风力发电平台包括：浮体单元(2)，其中，该浮体单元包括相互连接的第一半潜柱(3a)、第二半潜柱(3b)及第三半潜柱(3c)，各半潜柱具有纵向柱中心轴线(3a'、3b'、3c')并且各半潜柱设置在浮体单元(2)的相应角部中；第一风轮机(4a)和第二风轮机(4b)，第一风轮机第二风轮机分别和经由第一塔(5a)分别设置到第一半潜柱(3a)和第二半潜柱(3b)，其中，第一塔(5a)和第二塔(5b)分别具有第一纵向塔中心轴线(5a')和第二纵向塔中心轴线(5b')，其中，第一半潜柱(3a)和第二半潜柱(3b)分别以相对于基准方向(z)的第一角度α1和第二角度α2设置在浮体单元中，并且第一半潜柱和第二半潜柱指向彼此远离的方向，其中，第一纵向塔中心轴线(5a')和第二纵向塔中心轴线(5b')分别平行于第一纵向柱中心轴线(3a')和第二纵向柱中心轴线(3b')。

Description

浮式风力发电平台
技术领域
本发明总体上涉及浮式风力发电平台。
背景技术
已知使用设置在浮式风力发电单元中的倾斜的转子支承塔，其中，所述塔相对于彼此以及这些塔所附接至的浮体单元是倾斜的。
已知解决方案的缺点是浮体单元既浪费材料又占用空间，由此，制造和运输都是昂贵的。另一缺点是在塔与浮体单元之间进行附接的交界面是成角度的，因此必须使用专门制造的、定制的以及非标准的塔。结果，进一步增加了制造成本。
发明内容
本发明的目的是减轻现有技术的一些缺点，并且提供一种浮式风力发电平台，该浮式风力发电平台在制造期间需要的材料较少、制造较便宜，空间消耗较少并且更紧凑。本发明的另一目的是提供一种具有采用标准型风塔的斜塔的浮式风力发电平台。
根据本发明的一个实施方式，提供了一种用于海上发电的浮式风力发电平台，该浮式风力发电平台包括：
浮体单元，其中，该浮体单元包括相互连接的第一半潜柱、第二半潜柱以及第三半潜柱，各个半潜柱具有纵向柱中心轴线并且各个半潜柱被设置在该浮体单元的相应角部中，
第一风力涡轮机和第二风力涡轮机，第一风力涡轮机和第二风力涡轮机分别经由第一塔和第二塔分别设置至第一半潜柱和第二半潜柱，其中，第一塔和第二塔分别具有第一纵向塔中心轴线和第二纵向塔中心轴线，其中，第一半潜柱和第二半潜柱分别以相对于基准方向(z)的第一角度α1和第二角度α2设置在浮体单元中，并且第一半潜柱和第二半潜柱指向彼此远离的方向，其中，第一纵向塔中心轴线和第二纵向塔中心轴线分别平行于第一纵向柱中心轴线和第二纵向柱中心轴线。
根据一个实施方式，第一角度α1和第二角度α2是相同的。
根据一个实施方式，第一角度和第二角度处于以下区间：5°≤α1≤25°、更优选为10°≤α1≤20°、最优选为12°≤α1≤17°；5°≤α2≤25°、更优选为10°≤α2≤20°、最优选为12°≤α2≤17°。
根据一个实施方式，第一角度α1和第二角度α2是15°。
根据一个实施方式，浮体单元被成形为三角形，其中，该三角形的角部形成浮体单元的角部。
根据一个实施方式，浮体单元包括桁架结构。
根据一个实施方式，半潜柱经由上连接构件以及对应的平行设置的下连接构件相互连接，其中，下连接构件比上连接构件短。
根据一个实施方式，第一塔和第二塔分别相互连接至第一半潜柱和第二半潜柱。
根据一个实施方式，分别形成第一塔和第二塔与第一半潜柱和第二半潜柱之间的交界面的抵接面分别具有与第一纵向塔中心轴线和第二纵向塔中心轴线平行并与第一纵向柱中心轴线和第二纵向柱中心轴线平行的法线方向。
根据一个实施方式，第一塔和第二塔与第一半潜柱和第二半潜柱构成整体并形成第一半潜柱和第二半潜柱。
根据一个实施方式，第一塔和第二塔的直径和截面积分别与第一半潜柱和第二半潜柱的直径和截面积相似。
根据一个实施方式，第一半潜柱和第二半潜柱跨越一平面，其中，该平面具有水平方向上的法线方向。
根据一个实施方式，第一纵向塔中心轴线和第二纵向塔中心轴线分别与第一纵向柱中心轴线和第二纵向柱中心轴线对准。
根据一个实施方式，第一支承构件和第二支承构件被设置成将第一塔和第二塔分别与浮体单元相互连接。
根据一个实施方式，该浮式风力发电平台还被适配为相对于风向进行随风变向(weather vane)。
根据一个实施方式，所述基准方向(z)是竖直方向(z)。
根据一个实施方式，提供了一种用于海上发电的浮式风力发电平台，该浮式风力发电平台包括：
浮体单元，其中，该浮体单元包括相互连接的第一半潜柱、第二半潜柱以及第三半潜柱，各个半潜柱具有纵向柱中心轴线并且各个半潜柱被设置在该浮体单元的相应角部中；
第一风轮机和第二风轮机，第一风轮机和第二风轮机分别经由第一塔和第二塔分别设置到第一半潜柱和第二半潜柱，其中，第一塔和第二塔分别具有第一纵向塔中心轴线和第二纵向塔中心轴线，其中，第一半潜柱和第二半潜柱分别以相对于基准方向(z)的第一角度α1和第二角度α2设置在浮体单元中，并且第一半潜柱和第二半潜柱指向彼此远离的方向，其中，第一纵向塔中心轴线和第二纵向塔中心轴线分别平行于第一纵向柱中心轴线和第二纵向柱中心轴线。
根据一个实施方式，提供了一种用于海上发电的浮式风力发电平台，该浮式风力发电平台包括：
浮体单元，其中，该浮体单元包括相互连接的第一半潜柱、第二半潜柱以及第三半潜柱，各个半潜柱具有纵向柱中心轴线并且各个半潜柱被设置在该浮体单元的相应角部中；
第一风轮机和第二风轮机，第一风轮机和第二风轮机分别经由第一塔和第二塔分别设置到第一半潜柱和第二半潜柱，其中，第一塔和第二塔分别具有第一纵向塔中心轴线和第二纵向塔中心轴线，其中，第一半潜柱和第二半潜柱分别以相对于基准方向(z)的第一角度α1和第二角度α2设置在浮体单元中，其中，第一半潜柱和第二半潜柱指向彼此远离的方向，其中，第一纵向塔中心轴线和第二纵向塔中心轴线分别平行于第一纵向柱中心轴线和第二纵向柱中心轴线。
附图说明
现在，参照附图，通过示例的方式对本发明进行描述，其中：
图1示出了用于海上发电的浮式风力发电平台的立体图。
图2示出了根据图1的浮式风力发电平台的侧视图。
图3示出了根据图1至图2的浮式风力发电平台的侧视图。
图4示出了根据图1至图3的浮式风力发电平台的侧视图。
图5示出了根据图1至图4的浮式风力发电平台的侧视图。
具体实施方式
在下文中，给出了本发明的详细描述。在附图中，贯穿几个附图，相似的标号指定相同或对应的要素。应当清楚，这些附图仅仅用于例示，而不是以任何方式对本发明的范围进行限制。
图1示出了用于海上发电的浮式风力发电平台1的立体图，该浮式风力发电平台包括浮体单元2。根据一个实施方式，浮体单元2包括相互连接的三个半潜柱3a、3b、3c，即，第一半潜柱3a、第二半潜柱3b以及第三半潜柱3c，各个半潜柱具有纵向柱中心轴线3a'、3b'、3c'，如还可以在图2中看到的。根据一个实施方式，浮体单元2包括多个半潜柱。根据一个实施方式，浮体单元2包括超过三个半潜柱。根据一个实施方式，这些半潜柱是经由至少三个连接构件10a、10b、10c、20a、20b、20c彼此相互连接的。在浮体单元2包括超过三个半潜柱的情况下，第一半潜柱、第二半潜柱以及第三半潜柱可以间接地彼此相互连接。根据一个实施方式，半潜柱经由上连接构件10a、10b、10c以及平行设置的对应的下连接构件20a、20b、20c彼此相互连接。根据一个实施方式，下连接构件20a、20b、20c比上连接构件10a、10b、10c短。结果，与上连接构件和下连接构件的长度相似的浮体单元2相比，可以减少浮体单元2中的材料的总使用量。根据一个实施方式，在浮式风力发电平台1的使用期间的正常水位分别处于上连接构件10a、10b、10c与下连接构件20a、20b、20c之间的距离的一半处。根据一个实施方式，半潜柱各自被设置在浮体单元2的相应角部上。根据一个实施方式，半潜柱是浮力结构。根据一个实施方式，半潜柱延伸至上连接构件10a、10b、10c并且具有至少位于上连接构件10a、10b、10c上方的上端。根据一个实施方式，半潜柱3a、3b、3c具有直径增大的相应基座端部30a、30b、30c，这增加了半潜柱3a、3b、3c的浮力和排水量(displacement)以及它们各自的面积，并由此增加了在水中移动的阻力。根据一个实施方式，基座端部30a、30b、30c是圆柱形的，分别包括中心轴线30a'、30b'、30c'，其中，各个中心轴线30a'、30b'、30c'平行于基准方向z。根据一个实施方式，中心轴线30a'与中心轴线30b'之间的距离约为100m，也称为平台的长度。根据一个实施方式，中心轴线30c'与中心轴线30a'或30b'中的任一轴线之间的距离约为50m(也被称为平台船宽)。根据一个实施方式，基准方向z基本上平行于或者平行于由相应的半潜柱3a、3b、3c上的纵向柱中心轴线3a'、3b'、3c'的端点跨越的平面的法线方向。根据一个实施方式，基准方向z基本平行于或平行于由上连接构件10a、10b、10c所跨越的平面，或者另选为由下连接构件20a、20b、20c所跨越的平面，或者这两者的法线方向。根据一个实施方式，在风力发电平台1的正常使用期间，基准方向z基本上平行于或者平行于竖直线或铅垂线。根据一个实施方式，基准方向z是竖直方向z。根据一个实施方式，浮体单元2被成形为三角形，其中，三角形的角部形成了浮体单元2的角部。根据一个实施方式，三角形是等腰三角形。根据一个实施方式，连接构件10a、10c和/或20a、20c分别具有不同的长度，因此形成不等腰或不均匀的三角形，即，斜三角形。根据一个实施方式，浮体单元被成形为多边形，并且各个角部中具有半潜柱。根据一个实施方式，半潜柱可以居中设置在浮体单元2中。根据一个实施方式，浮体单元2包括桁架结构。根据一个实施方式，浮体单元2包括框架结构。根据一个实施方式，多个连接构件被设置成将上连接构件和下连接构件相互连接起来。根据一个实施方式，浮式风力发电平台1适配为相对于风向进行随风变向。根据一个实施方式，随风变向是通过附接至浮体单元2的转台来提供的。根据一个实施方式，转台还被相互连接至系泊系统。根据一个实施方式，转台被附接至半潜柱3a、3b、3c中的一个半潜柱。
根据一个实施方式，浮式风力发电平台包括：第一风力涡轮机4a和第二风力涡轮机4b，第一风力涡轮机和第二风力涡轮机分别经由第一塔5a和第二塔5b设置到第一半潜柱3a和第二半潜柱3b。根据一个实施方式，如果浮体单元2包括超过三个半潜柱，则另外的风力涡轮机可以设置在浮体单元2中，例如设置在半潜柱上。根据一个实施方式，如果另外的风力涡轮机被设置在浮体单元2中，则这些风力涡轮机可以设置成一排。根据一个实施方式，转台被附接至第三半潜柱3c。根据一个实施方式，如还可以从图2中看到，第一塔5a和第二塔5b分别具有第一纵向塔中心轴线5a'和第二纵向塔中心轴线5b'。根据一个实施方式，第一塔5a和第二塔5b分别相互连接至第一半潜柱3a和第二半潜柱3b。根据一个实施方式，如果三个半潜柱被设置成一排，则中间的半潜柱和风塔可以具有平行于基准方向z的纵向柱中心轴线和纵向塔中心轴线。根据一个实施方式，第一塔5a和第二塔5b与第一半潜柱3a和第二半潜柱3b的直径和截面积分别是相似的。根据一个实施方式，分别形成第一塔5a和第二塔5b与第一半潜柱3a和第二半潜柱3b之间的交界面的抵接面3a"、5a"、3b"、5b"分别具有与第一纵向塔中心轴线5a'和第二纵向塔中心轴线5b'以及第一纵向柱中心轴线3a'和第二纵向柱中心轴线3b'平行的法线方向。根据一个实施方式，抵接面3a"、5a"和抵接面3b"、5b"具有圆环形状。根据一个实施方式，抵接面3a"、5a"和抵接面3b"、5b"具有圆形区域形状。因此，与椭圆形的抵接面(会导致塔和/或柱的抵接面具有不平行于纵向塔中心轴线和/或纵向柱中心轴线的法线方向)相比，对抵接面的这种法线方向的选择使得能够使用圆形、圆环或者圆形面积。椭圆形抵接面的成形难以以使得能够实现在塔5a和塔5b与半潜柱3a和半潜柱3b之间的附接期间所需的两个椭圆形抵接面之间的必要的配合所需的足够准确度实现。由于抵接面通常被成形为包括用于螺栓或螺栓连接的孔的螺栓法兰(这些孔在附接过程期间需要进行匹配)，因而情况就更是如此。结果，可以将标准风塔5a、5b用于根据本发明的浮式风力发电平台1，而不使用会增加制造成本的经特别制造或设计的风塔。此外，如果两个塔抵接面5a"、5b"和柱抵接面3b"、5b"的法线方向平行于相应的纵向塔中心轴线5a'、5b'和纵向柱中心轴线3a'、3b'，则避免了尝试将圆形、圆环或圆形面积形状相应地组合并附接至椭圆形、椭圆环、椭圆面积形状的难度。根据一个实施方式，第一塔5a和第二塔5b与第一半潜柱3a和第二半潜柱3b整体成形，并形成第一半潜柱和第二半潜柱。
图2示出了基本上从平行于涡轮机转子的旋转轴线4a'、4b'的方向看到的用于海上发电的浮式风力发电平台1的侧视图。根据一个实施方式，第一半潜柱3a和第二半潜柱3b分别以相对于基准方向z的第一角度α1和第二角度α2设置在浮体单元2中，并且指向彼此远离的方向。根据一个实施方式，指向彼此远离的方向还意味着风力涡轮机比它们各自的半潜柱3a、3b的其它部分或半潜柱3a、3b的至少最下侧的基座端部彼此更加远离。根据一个实施方式，第一半潜柱3a和第二半潜柱3b是以以下总角度彼此远离地定向的：该总角度对应于在由第一半潜柱3a和第二半潜柱3b所跨越的平面中看到的α1+α2。根据一个实施方式，第一纵向塔中心轴线5a'和第二纵向塔中心轴线5b'分别平行于第一纵向柱中心轴线3a'和第二纵向柱中心轴线3b'。根据一个实施方式，第一纵向塔中心轴线5a'和第二纵向塔中心轴线5b'分别与第一纵向柱中心轴线3a'和第二纵向柱中心轴线3b'对准。根据一个实施方式，第一半潜柱3a和第二半潜柱3b以及第一塔5a和第二塔5b的倾斜使得能够实现更紧凑的浮体单元，而同时可以将风力涡轮机4a与风力涡轮机4b之间的距离保持在足够的距离或者与没有倾斜的情况下类似的距离，从而还使得能够如同没有倾斜的情况那样，使用足够大或类似尺寸的涡轮机转子叶片来发电。在这个意义上，浮体单元2旨在使尺寸/成本与其发电能力的关系最优化。根据一个实施方式，第一角度α1和第二角度α2是相同的。根据一个实施方式，第一角度和第二角度处于以下区间：5°≤α1≤25°、更优选为10°≤α1≤20°、最优选为12°≤α1≤17°；5°≤α2≤25°、更优选为10°≤α2≤20°、最优选为12°≤α2≤17°。根据一个实施方式，第一角度α1和第二角度α2是15°。作为使用第一半潜柱3a和第二半潜柱3b(其中，第一半潜柱3a和第二半潜柱3b分别以相对于基准方向z的第一角度α1和α2设置在浮体单元中)的另一效果，提供了具有较高水线面积的浮体单元2，该浮体单元提供较高的水动力刚度，即，水中的较高阻力。水中的较高阻力提供了抵抗浮体单元2在使用期间的不希望的移动的阻力。结果，可以减少浮体单元2的排水量，例如，通过半潜柱3a、3b、3c以及它们各自的端部30a、30b、30c来减少所述排水量。排水量的减少使得能够减少材料，并因此进一步降低制造浮体单元2和风力发电平台1的成本。
图3示出了用于海上发电的浮式风力发电平台1的侧视图，如垂直于涡轮机转子的旋转轴线4a'、4b'所看到的。在本文中可以看出，根据一个实施方式，第一半潜柱3a和第二半潜柱3b跨越一平面，其中，该平面具有沿水平方向y的法线方向。根据一个实施方式，第一半潜柱3a和第二半潜柱3b跨越一平面，其中，该平面的法线方向y垂直于基准方向z。根据一个实施方式，规定了方向z和方向y，以形成或对应于在图2中看到的坐标系的轴，该坐标系还包括另一水平方向x。根据一个实施方式，第三半潜柱3c的纵向中心轴线3c'平行于基准方向z。根据一个实施方式，如果浮体单元2被成形为斜三角形，则当平台1和浮体单元2已达到平衡状态时，由第一半潜柱3a和第二半潜柱3b所跨越的平面在使用期间不会处于与随风变向期间的风向平行的方向。因此，在这些情况下，由第一风力涡轮机转子和第二风力涡轮机转子所跨越的平面将是不同的平面，并且第一柱3a和第二柱3b中的一个柱将是上风柱，而另一柱将是下风柱。
图4示出了沿负z方向看到的用于海上发电的浮式风力发电平台1的侧视图。
图5示出了用于海上发电的浮式风力发电平台1的侧视图。如在本文中看到的，根据一个实施方式，第一支承构件40a和第二支承构件40b被设置成将第一塔5a和第二塔5b分别与浮体单元2相互连接起来。根据一个实施方式，至少一个支承构件40a、40b被设置在两个塔5a、5b之间并将这两个塔相互连接起来。根据一个实施方式，支承构件40a、40b的使用分别减小了塔5a、5b与柱3a、3b的连接点处因重力而造成的应力，举例来说，如在抵接面3a"与抵接表面5a"以及抵接面3b"与抵接面5b"的螺栓连接处的应力。根据一个实施方式，支承构件40a、40b的使用增加了风力发电平台1的稳定性。根据一个实施方式，风力涡轮机4a、4b被配置成可分别相对于风塔5a、5b转动，其中，转动的轴线平行于纵向塔中心轴线5a'、5b'。根据一个实施方式，风力涡轮机4a、4b被配置成能够分别相对于风塔5a、5b转动，其中，转动的轴线平行于基准方向z。根据一个实施方式，转动(即，风力涡轮机分别相对于风塔5a、5b的相对角位移)被限制，由此避免例如在使用期间风力涡轮机转子叶片与风塔的接触。根据一个实施方式，这种限制被配置成通过机械构造(举例来说，如机械挡块)来设定。根据一个实施方式，这种限制被配置成通过软件来设定。根据一个实施方式，风力发电平台1被配置为通过风力涡轮机转子叶片的旋转来发电，并且在风力涡轮机或机舱中例如通过发电机来发电。根据一个实施方式，可以将海上发电/能量生产通过被配置为传递能量的能源线缆传递至岸上或带至岸上。
已经描述了用于海上发电的浮式风力发电平台1的优选实施方式。然而，本领域技术人员意识到，可以在不脱离本发明的思想的情况下，在所附权利要求的范围内改变该优选实施方式。
在不脱离本发明的思想的情况下，可以自由组合上面描述的另选实施方式或者实施方式的多个部分，只要该组合不矛盾即可。

Claims (16)

1.一种用于海上发电的浮式风力发电平台(1)，所述浮式风力发电平台包括：
浮体单元(2)，其中，所述浮体单元包括相互连接的第一半潜柱(3a)、第二半潜柱(3b)以及第三半潜柱(3c)，各个半潜柱具有纵向柱中心轴线(3a’、3b’、3c’)并且各个半潜柱被设置在所述浮体单元(2)的相应角部中，
第一风轮机(4a)和第二风轮机(4b)，所述第一风轮机和所述第二风轮机分别经由第一塔(5a)和第二塔(5b)分别设置到所述第一半潜柱(3a)和所述第二半潜柱(3b)，其中，所述第一塔(5a)和所述第二塔(5b)分别具有第一纵向塔中心轴线(5a')和第二纵向塔中心轴线(5b')，其中，所述第一半潜柱(3a)和所述第二半潜柱(3b)分别以相对于基准方向(z)的第一角度α1和第二角度α2设置在所述浮体单元(2)中，并且所述第一半潜柱和所述第二半潜柱指向彼此远离的方向，其中，所述第一纵向塔中心轴线(5a')和所述第二纵向塔中心轴线(5b')分别平行于所述第一纵向柱中心轴线(3a')和所述第二纵向柱中心轴线(3b')。
2.根据权利要求1所述的浮式风力发电平台(1)，其中，所述第一角度α1和所述第二角度α2是相同的。
3.根据权利要求1或2所述的浮式风力发电平台(1)，其中，所述第一角度α1和所述第二角度α2处于以下区间：5°≤α1≤25°；5°≤α2≤25°。
4.根据权利要求1或2所述的浮式风力发电平台(1)，其中，所述第一角度α1和所述第二角度α2是15°。
5.根据权利要求1或2所述的浮式风力发电平台(1)，其中，所述浮体单元(2)被成形为三角形，其中，所述三角形的角部形成所述浮体单元(2)的角部。
6.根据权利要求1或2所述的浮式风力发电平台(1)，其中，所述浮体单元(2)包括桁架结构。
7.根据权利要求1或2所述的浮式风力发电平台(1)，其中，所述半潜柱(3a、3b、3c)经由上连接构件(10a、10b、10c)以及平行设置的对应的下连接构件(20a、20b、20c)彼此相互连接，其中，所述下连接构件(20a、20b、20c)比所述上连接构件(10a、10b、10c)短。
8.根据权利要求1或2所述的浮式风力发电平台(1)，其中，所述第一塔(5a)和所述第二塔(5b)分别相互连接到所述第一半潜柱(3a)和所述第二半潜柱(3b)。
9.根据权利要求1或2所述的浮式风力发电平台(1)，其中，分别形成所述第一塔(5a)和所述第二塔(5b)与所述第一半潜柱(3a)和所述第二半潜柱(3b)之间的交界面的抵接面(3a"、5a"、3b"、5b")分别具有与所述第一纵向塔中心轴线(5a')和所述第二纵向塔中心轴线(5b')以及所述第一纵向柱中心轴线(3a')和所述第二纵向柱中心轴线(3b')平行的法线方向。
10.根据权利要求1或2所述的浮式风力发电平台(1)，其中，所述第一塔(5a)和所述第二塔(5b)与所述第一半潜柱(3a)和所述第二半潜柱(3b)构成整体。
11.根据权利要求1或2所述的浮式风力发电平台(1)，其中，所述第一塔(5a)和所述第二塔(5b)与所述第一半潜柱(3a)和所述第二半潜柱(3b)的直径和截面积是相似的。
12.根据权利要求1或2所述的浮式风力发电平台(1)，其中，所述第一半潜柱(3a)和所述第二半潜柱(3b)跨越一平面，其中，所述平面具有沿水平方向的法线方向。
13.根据权利要求1或2所述的浮式风力发电平台(1)，其中，所述第一纵向塔中心轴线(5a')和所述第二纵向塔中心轴线(5b')分别与所述第一纵向柱中心轴线(3a')和所述第二纵向柱中心轴线(3b')对准。
14.根据权利要求1或2所述的浮式风力发电平台(1)，其中，第一支承构件(40a)和第二支承构件(40b)被设置成将所述第一塔(5a)和所述第二塔(5b)分别与所述浮体单元(2)相互连接起来。
15.根据权利要求1或2所述的浮式风力发电平台(1)，其中，所述浮式风力发电平台还被适配为相对于风向进行随风变向。
16.根据权利要求1或2所述的浮式风力发电平台(1)，其中，所述基准方向(z)是竖直方向(z)。
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