CN113864858A - 一种基于柔性储能方式的智慧家庭用能系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于柔性储能方式的智慧家庭用能系统及其控制方法，包括光伏组件、相变墙体、蓄电池、保温蓄水池和中央控制器。光伏组件用于收集太阳能并转换为电能；相变墙体通过直流冷泵和直流热泵储存来自光伏组件的能量并用于实现建筑物室内的制冷或制热；蓄电池用于接收来自光伏组件和外部电网的电能，并向相变墙体、保温蓄水池、新能源电动汽车和生活用电设备供电；保温蓄水池用于储存来自光伏组件工作热量和光热产生的热水，并可接收来自光伏组件和蓄电池的电能进行加热；中央控制器用于控制光伏组件和蓄电池向相变墙体和保温蓄水池供电。本发明能够在满足用能需求的同时，实现可再生清洁能源的充分利用，从而减少建筑的碳排放量。
Description
技术领域
本发明涉及家庭用能技术领域，具体涉及一种基于柔性储能方式的智慧家庭用能系统 及其控制方法。
背景技术
为了减少建筑运行的直接或间接碳排放量，中国工程院院士、清华大学建筑学院教授 江亿首次提出了“光储直柔”低碳建筑的概念(江亿.碳中和与建筑设备[M].2021)。在光伏 建筑一体化方面，目前其发展模式以及技术方法已经逐渐成熟，其中一篇文献提出了多种 结合光伏幕墙与建筑的结构优化设计方法，从而有效利用建筑的立面空间以发展绿色电能 (李鹏程.太阳能光伏建筑一体化中光伏幕墙设计研究[D].西安科技大学.2018)；在储能 方面，应用新能源汽车与充电桩储能技术已经逐步实现了与光伏的有机结合(贾瑞雪.太 阳能采暖建筑相变储能墙体对室内热环境的影响[D].西安理工大学)；在直流配电系统方 面，虽然目前直接应用于建筑的直流用电器仍然较少，但直流配电以其结构简单、传输损 耗低决定了建筑配电系统未来重要的发展趋势(刘英培,周素文,梁海平,等.光储直流配电 网灵活虚拟惯性控制策略[J].电力自动化设备,2021,41(5):107-113.)。
相变储能是一种利用材料在相变过程中对周围环境热量的吸收或释放特性的储能方 法，通常存在固—液、液—气和固—固的几种相变形式。在建筑建造中，则更适合应用固 —液或固—固的相变材料，例如石蜡、脂肪酸、脂肪醇等单一材料，或应用多种相变材料组合成的复合材料。进一步的，可以通过相变材料的复合加工，获得达到特定相变温度的复合材料。相变储能建筑材料能够兼具普通建材与储能材料的优点，在经济效益上具有更强的竞争性。
基于以上背景，目前结合光伏—建筑—储能的相关技术已经逐步展开研究，并取得了 一定成果。然而，现有的直流用电器并没有广泛的推广应用，在建筑的相变材料与柔性用 能策略方面仍然存在较大的研究空间。
基于上述情况，本发明提出了一种基于柔性储能方式的智慧家庭用能系统及其控制方 法，可有效解决以上问题。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一在于提供一种基于柔性储能方式的智 慧家庭用能系统。在满足普通家庭用能需求的同时，优化利用光伏清洁能源，从而减少建 筑的碳排放量。
本发明的另一目的在于提供一种基于柔性储能方式的智慧家庭用能系统的控制方法。
为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案实现：
第一方面，本发明提供一种基于柔性储能方式的智慧家庭用能系统，包括：
光伏组件，所述光伏组件设于建筑物的朝阳面，用于收集太阳能并转换为电能；
相变墙体，所述相变墙体为建筑物的至少部分墙体，通过直流冷泵和直流热泵储存来 自光伏组件的能量并用于实现建筑物室内的制冷或制热；
蓄电池，所述蓄电池用于接收来自光伏组件和外部电网的电能，并向相变墙体、保温 蓄水池以及生活用电设备供电；
保温蓄水池，所述保温蓄水池用于储存来自光伏组件工作热量和光热产生的热水，并 可接收来自光伏组件和蓄电池的电能进行加热；以及
中央控制器，所述中央控制器用于控制所述光伏组件和蓄电池向所述相变墙体和保温 蓄水池供电。
优选的是，所述光伏组件包括光伏板载体和间隔阵列分布于光伏板载体朝阳侧上的光 伏板，相应地所述保温蓄水池通过穿梭于光伏板间隙内且敷设于光伏板载体朝阳侧上的水 管储存来自光伏组件工作热量和光热产生的热水。水管敷设在光伏组件周围，可带走光伏 组件工作时产生的热量，提高发电效率，同时吸收光热，加热水温。
优选的是，所述相变墙体内镶嵌有用于向墙体内传递能量的弯管，所述弯管分别与所 述直流冷泵和直流热泵连接。采用弯管可增加与相变墙体的接触面积，提高传递能量的效 率。
进一步优选的是，所述相变墙体包括带有相变材料的储能墙体和包裹于储能墙体四周 的隔热墙体，所述隔热墙体上开设有进风口和出风口，所述储能墙体内开设有与进风口和 出风口连通的通风孔。隔热墙体可以确保相变墙体储存的能量不易向外散失，同时可以隔 绝弯管的传递能量从而被相变墙体全部吸收。
优选的是，所述蓄电池采用充电桩储能蓄电池，用于向新能源电动汽车供电。
优选的是，所述保温蓄水池内安装有用于采集水温的第一传感器，所述建筑物室内安 装有用于采集室温的第二传感器，所述蓄电池内安装有用于采集电量的第三传感器，所述 中央控制器负责处理第一传感器、第二传感器以及第三传感器采集的实时数据，并且对全 屋的设备进行智能控制。
第二方面，本发明还提供一种基于柔性储能方式的智慧家庭用能系统的控制方法，所 述控制方法包括：
白天储能阶段：
步骤a、首先采用光伏组件产生电能，并且利用光伏组件的工作热量和光热产生生活 热水并储存至保温蓄水池中；
步骤b、通过第二传感器判断建筑物室内温度是否满足室温设定值；若步骤b条件成 立，则进入步骤c；若步骤b条件不成立，则进入步骤e；
步骤c、采用光伏组件产生的电能对相变墙体进行储能，随后进入步骤d；
步骤d、判断相变墙体的储能是否可以维持室温设定值；若步骤d条件成立，则进入步骤e；若步骤d条件不成立，则进入步骤g；
步骤e、通过第一传感器判断保温蓄水池中水温是否满足水温设定值；若步骤e条件 成立，则进入步骤f；若步骤e条件不成立，则进入步骤k；
步骤f、将冗余的光伏发电量储存于蓄电池，最终结束白天储能阶段；
步骤g、判断此时光伏出力是否冗余；若步骤g条件成立，则直接返回至步骤c；若步骤g条件不成立，则进入步骤h；
步骤h、由蓄电池向相变墙体进行供能，并返回至步骤c；
步骤k、基于光伏出力预测的结果判断保温蓄水池是否可以达到水温设定值，若步骤 k条件成立，则进入步骤m；若步骤k条件不成立，则进入步骤n；
步骤m、通过光伏对保温蓄水池加热达到水温设定值，加热之后再判断光伏是否还存 在冗余，若光伏还存在冗余，则进入步骤f；若光伏无冗余，则直接结束；
步骤n、通过蓄电池对保温蓄水池加热达到水温设定值，并且把冗余的光伏发电储存 至蓄电池中，最终结束白天储能阶段；
夜间释能阶段：
应用在白天储能阶段中相变墙体所储存的能量实现建筑物室内制冷或制热。
优选的是，夜间电价低谷时段，通过第三传感器判断蓄电池的电量是否大于临界值； 若条件成立，则不需要向电网购电；若条件不成立，则向电网购电储能至电量临界值。
优选的是，所述蓄电池采用充电桩储能蓄电池，应用储存至充电桩储能蓄电池内的电 能为新能源电动汽车供电。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
本发明的智慧建筑家庭用能系统能够在满足用能需求的同时，实现了可再生清洁能源 的充分利用，从而减少建筑的碳排放量，低碳节能。
本发明采用的光伏可以就地消纳，避免了接入电网的一系列问题，同时采用相变墙体 代替空调，人体舒适感更好。
本发明在白天(包含电价高峰时段)采用光伏组件对相变墙体和保温蓄水池以及蓄电 池进行供能，在夜晚(包含电价低谷时段)购电以及应用在白天储能阶段中相变墙体所储 存的能量实现建筑物室内制冷或制热，对电网进行削峰填谷，消纳夜间富余电量，大大减 少购电费用，减少家庭的碳排放量。
本发明优化了光伏组件和蓄电池之间的协调性，对相变墙体和保温蓄水池以及其他用 电设备进行了合理的供能分配，光能得到充分利用。
附图说明
图1是本发明实施例的系统能量传输示意图；
图2是本发明实施例的系统结构示意图；
图3是本发明实施例的相变墙体结构示意图；
图4是本发明实施例的光伏组件和水管组合结构示意图；
图5是本发明实施例的白天储能阶段用能流程图；
图6是本发明实施例的某家庭日负荷曲线图；
图7是本发明实施例的购电费用对比图。
附图标记：1-建筑物；11-第二传感器；2-光伏组件；21-光伏板；22光伏板载体；3-相变墙体；31-弯管；32-通风孔；33-隔热墙体；34-储能墙体；331-进风口；332-出风口； 4-保温蓄水池；41-第一传感器；5-蓄电池；51-第三传感器；6a-直流冷泵；6b-直流热泵； 7-新能源电动汽车；8-生活用电设备；9-中央控制器；10-水管。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发 明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专 利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际 产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理 解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
下面结合附图1～7和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依 据。
如图1所示，本实施例提供一种基于柔性储能方式的智慧家庭用能系统，该系统包括 光伏组件2、相变墙体3、蓄电池5、保温蓄水池4以及中央控制器9。其中，所述光伏组 件2设于建筑物1的朝阳面，用于收集太阳能并转换为电能，所产生的电能分别可输送给 直流热泵6b、直流冷泵6a、保温蓄水池4、蓄电池5；所述相变墙体3为建筑物1的至少 部分墙体，通过直流冷泵6a和直流热泵6b储存来自光伏组件2的能量并用于实现建筑物 1室内的制冷或制热；所述蓄电池5用于接收来自光伏组件2和外部电网的电能，并向相 变墙体3、保温蓄水池4、新能源电动汽车7以及生活用电设备8供电；所述保温蓄水池4 用于储存来自光伏组件2工作热量和光热产生的热水，并可接收来自光伏组件2和蓄电池 5的电能进行加热；所述中央控制器9用于控制所述光伏组件2和蓄电池5向所述相变墙 体3和保温蓄水池4供电。其中，在本实施例中所述蓄电池5采用充电桩储能蓄电池5， 可用于向新能源电动汽车7供电。
如图2所示，光伏组件2与相变墙体3均安装于建筑物1的朝阳面，所述保温蓄水池4内安装有用于采集水温的第一传感器41，所述建筑物1室内安装有用于采集室温的第二传感器11，所述蓄电池5内安装有用于采集电量的第三传感器51，所述中央控制器9负 责处理第一传感器41、第二传感器11以及第三传感器51采集的实时数据，并且对全屋的 设备进行智能控制。
如图3所示，所述相变墙体3位于建筑物1的朝阳侧，所述相变墙体3内镶嵌有用于向墙体内传递能量的弯管31，所述弯管31分别与所述直流冷泵6a和直流热泵6b连接。 所述相变墙体3包括带有相变材料的储能墙体34和包裹于储能墙体34四周的隔热墙体33， 所述隔热墙体33上开设有进风口331和出风口332，所述储能墙体34内开设有与进风口 331和出风口332连通的通风孔32。其中，储能墙体34由相变材料和建筑材料构成。在 本发明中，相变材料是由多种单一相变材料进行复合组成的，从而实现能够满足不同的相 变温度需求，采用本领域的常规选择即可。
在白天的储能过程中，直流热泵6b和直流冷泵6a通过弯管31向相变墙体3储能，进风口331和出风口332关闭。在夜间的释能过程中，进风口331与出风口332打开，空气 流经通风孔32将储能墙体34中的热能/冷能释放至室内，从而调节室内温度。
如图4所示，所述光伏组件2包括光伏板载体22和间隔阵列分布于光伏板载体22朝阳侧上的光伏板21，相应地所述保温蓄水池4通过穿梭于光伏板21间隙内且敷设于光伏 板载体22朝阳侧上的水管10储存来自光伏组件2工作热量和光热产生的热水。这样可带 走光伏组件2工作时产生的热量，提高发电效率，同时吸收光热，加热水温。
如图5所示，基于上述用能系统，本实施例提供一种控制方法，所述控制方法包括：
白天储能阶段包含白天电价高峰时段：
步骤a、首先采用光伏组件2产生电能，并且利用光伏组件2的工作热量和光热产生生活热水并储存至保温蓄水池4中；
步骤b、通过第二传感器11判断建筑物1室内温度是否满足室温设定值；若步骤b条件成立，则进入步骤c；若步骤b条件不成立，则进入步骤e；
步骤c、采用光伏组件2产生的电能对相变墙体3进行储能，随后进入步骤d；
步骤d、判断相变墙体3的储能是否可以维持室温设定值；若步骤d条件成立，则进入步骤e；若步骤d条件不成立，则进入步骤g；
步骤e、通过第一传感器41判断保温蓄水池4中水温是否满足水温设定值；若步骤e条件成立，则进入步骤f；若步骤e条件不成立，则进入步骤k；
步骤f、将冗余的光伏发电量储存于蓄电池5，最终结束白天储能阶段；
步骤g、判断此时光伏出力是否冗余；若步骤g条件成立，则直接返回至步骤c；若步骤g条件不成立，则进入步骤h；
步骤h、由蓄电池5向相变墙体3进行供能，并返回至步骤c；
步骤k、基于光伏出力预测的结果判断保温蓄水池4是否可以达到水温设定值，若步 骤k条件成立，则进入步骤m；若步骤k条件不成立，则进入步骤n；
步骤m、通过光伏对保温蓄水池4加热达到水温设定值，加热之后再判断光伏是否还 存在冗余，若光伏还存在冗余，则进入步骤f；若光伏无冗余，则直接结束；
步骤n、通过蓄电池5对保温蓄水池4加热达到水温设定值，并且把冗余的光伏发电储存至蓄电池5中，最终结束白天储能阶段；
夜间释能阶段(包含夜间电价低谷时段)：
应用在白天储能阶段中相变墙体3所储存的能量实现建筑物1室内制冷或制热。
其中，判断相变墙体储能是否维持室温设定值的方法：
考虑到在该房间的气压下条件，每立方空气升温1℃所需的能量为k，若房间目前的温 度为n，所需要维持的室温恒定值为ns，该房间每小时的热损失量为Qh，房间的容量为r， 为了要维持a小时的室温恒定值，房间内所需要的能量Qr为：
Qr＝(|ns-n|·k-Qh)·a·r
令相变墙体的储能效率为t1％，相变墙体释能效率为t2％，得到相变墙体需要储存的能 量Qs，以及光伏组件需要提供的能量Qpv。
即是，光伏为相变材料提供的能量(电能)应至少为Qpv，能够为容量为r的房间提供a小时的室温恒定值。
进一步地，夜间电价低谷时段，通过第三传感器51判断蓄电池5的电量是否大于临界值(总电量的80％)；若条件成立，则不需要向电网购电；若条件不成立，则向电网购 电储能至电量临界值。
为了进一步说明本发明与现有技术相比的有益效果，本实施例以某一家庭为例加以说 明。
1.购电费用对比
未应用本发明的改进技术时，某家庭某日负荷曲线如图6所示。基于分时电价的原则， 应用本发明的改进技术，该家庭需向电网购电费用如图7所示。
应用本发明的改进技术前，该家庭购电量为70kwh，日购电费用共计42元，应用本发明改进技术后，向电网购电量减少至10kwh，日购电费用减少至3.9元，日节省费用为38.1元。
2.碳排放量对比
考虑到燃煤生产1kwh的电量至少要排放960g CO2，以10％的电网新能源渗透率为例， 该家庭应用本发明前后的日碳排放量下表所示。
本发明中所述中央控制器、光伏板、蓄电池、第一传感器、第二传感器以及第三传感 器等技术特征(本发明的组成单元/元件)，如无特殊说明，均从常规商业途径获得，或以常规方法制得，其具体结构、工作原理以及可能涉及到的控制方式、空间布置方式采用本领域的常规选择即可，不应被视为本发明的创新点所在，对于本领域技术人员来说，是可以理解的，本发明专利不做进一步具体展开详述。
依据本发明的描述及附图，本领域技术人员很容易制造或使用本发明的一种基于柔性 储能方式的智慧家庭用能系统及其控制方法，并且能够产生本发明所记载的积极效果。
如无特殊说明，本发明中，若有术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、 “后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺 时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系是基于附 图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指 的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此本发明中描述方位或 位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术 人员而言，可以结合附图，并根据具体情况理解上述术语的具体含义。此外，术语“第一”、 “第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术 特征的数量。
除非另有明确的规定和限定，本发明中，若有术语“设置”、“相连”及“连接”应 做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接 相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技 术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据 本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范 围之内。
Claims (9)
1.一种基于柔性储能方式的智慧家庭用能系统，其特征在于，包括：
光伏组件(2)，所述光伏组件(2)设于建筑物(1)的朝阳面，用于收集太阳能并转换为电能；
相变墙体(3)，所述相变墙体(3)为建筑物(1)的至少部分墙体，通过直流冷泵(6a)和直流热泵(6b)储存来自光伏组件(2)的能量并用于实现建筑物(1)室内的制冷或制热；
蓄电池(5)，所述蓄电池(5)用于接收来自光伏组件(2)和外部电网的电能，并向相变墙体(3)、保温蓄水池(4)以及生活用电设备(8)供电；
保温蓄水池(4)，所述保温蓄水池(4)用于储存来自光伏组件(2)工作热量和光热产生的热水，并可接收来自光伏组件(2)和蓄电池(5)的电能进行加热；以及
中央控制器(9)，所述中央控制器(9)用于控制所述光伏组件(2)和蓄电池(5)向所述相变墙体(3)和保温蓄水池(4)供电。
2.根据权利要求1所述的一种基于柔性储能方式的智慧家庭用能系统，其特征在于：所述光伏组件(2)包括光伏板载体(22)和间隔阵列分布于光伏板载体(22)朝阳侧上的光伏板(21)，相应地所述保温蓄水池(4)通过穿梭于光伏板(21)间隙内且敷设于光伏板载体(22)朝阳侧上的水管(10)储存来自光伏组件(2)工作热量和光热产生的热水。
3.根据权利要求1所述的一种基于柔性储能方式的智慧家庭用能系统，其特征在于：所述相变墙体(3)内镶嵌有用于向墙体内传递能量的弯管(31)，所述弯管(31)分别与所述直流冷泵(6a)和直流热泵(6b)连接。
4.根据权利要求1或3所述的一种基于柔性储能方式的智慧家庭用能系统，其特征在于：所述相变墙体(3)包括带有相变材料的储能墙体(34)和包裹于储能墙体(34)四周的隔热墙体(33)，所述隔热墙体(33)上开设有进风口(331)和出风口(332)，所述储能墙体(34)内开设有与进风口(331)和出风口(332)连通的通风孔(32)。
5.根据权利要求1所述的一种基于柔性储能方式的智慧家庭用能系统，其特征在于：所述蓄电池(5)采用充电桩储能蓄电池(5)，用于向新能源电动汽车(7)供电。
6.根据权利要求1所述的一种基于柔性储能方式的智慧家庭用能系统，其特征在于：所述保温蓄水池(4)内安装有用于采集水温的第一传感器(41)，所述建筑物(1)室内安装有用于采集室温的第二传感器(11)，所述蓄电池(5)内安装有用于采集电量的第三传感器(51)，所述中央控制器(9)负责处理第一传感器(41)、第二传感器(11)以及第三传感器(51)采集的实时数据，并且对全屋的设备进行智能控制。
7.一种如权利要求1所述的基于柔性储能方式的智慧家庭用能系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
白天储能阶段：
步骤a、首先采用光伏组件(2)产生电能，并且利用光伏组件(2)的工作热量和光热产生生活热水并储存至保温蓄水池(4)中；
步骤b、通过第二传感器(11)判断建筑物(1)室内温度是否满足室温设定值；若步骤b条件成立，则进入步骤c；若步骤b条件不成立，则进入步骤e；
步骤c、采用光伏组件(2)产生的电能对相变墙体(3)进行储能，随后进入步骤d；
步骤d、判断相变墙体(3)的储能是否可以维持室温设定值；若步骤d条件成立，则进入步骤e；若步骤d条件不成立，则进入步骤g；
步骤e、通过第一传感器(41)判断保温蓄水池(4)中水温是否满足水温设定值；若步骤e条件成立，则进入步骤f；若步骤e条件不成立，则进入步骤k；
步骤f、将冗余的光伏发电量储存于蓄电池(5)，最终结束白天储能阶段；
步骤g、判断此时光伏出力是否冗余；若步骤g条件成立，则直接返回至步骤c；若步骤g条件不成立，则进入步骤h；
步骤h、由蓄电池(5)向相变墙体(3)进行供能，并返回至步骤c；
步骤k、基于光伏出力预测的结果判断保温蓄水池(4)是否可以达到水温设定值，若步骤k条件成立，则进入步骤m；若步骤k条件不成立，则进入步骤n；
步骤m、通过光伏对保温蓄水池(4)加热达到水温设定值，加热之后再判断光伏是否还存在冗余，若光伏还存在冗余，则进入步骤f；若光伏无冗余，则直接结束；
步骤n、通过蓄电池(5)对保温蓄水池(4)加热达到水温设定值，并且把冗余的光伏发电储存至蓄电池(5)中，最终结束白天储能阶段；
夜间释能阶段：
应用在白天储能阶段中相变墙体(3)所储存的能量实现建筑物(1)室内制冷或制热。
8.根据权利要求7所述的一种基于柔性储能方式的智慧家庭用能系统的控制方法，其特征在于：夜间电价低谷时段，通过第三传感器(51)判断蓄电池(5)的电量是否大于临界值；若条件成立，则不需要向电网购电；若条件不成立，则向电网购电储能至电量临界值。
9.根据权利要求7所述的一种基于柔性储能方式的智慧家庭用能系统的控制方法，其特征在于：所述蓄电池(5)采用权利要求6所述的充电桩储能蓄电池(5)，应用储存至充电桩储能蓄电池(5)内的电能为新能源电动汽车(7)供电。
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| CN (1) | CN113864858A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2021
- 2021-09-24 CN CN202111120482.0A patent/CN113864858A/zh active Pending
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