CN114157233A - 一种高倍聚光电池组的多级热管换热系统及换热方法 - Google Patents

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邓明星
丁千惠
杨婷婷
于海龙
朱宝忠
孙运兰
刘恩海
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Abstract

本发明属于光伏电池的散热领域，具体涉及一种高倍聚光电池组的多级热管换热系统及换热方法。当整个系统开始工作时，位于上部的菲涅尔镜将太阳光聚焦至电池组，电池组将光能转化成电能并存储在蓄电池中，蓄电池保证电加热器运行工作。预热水经过电池组表面先进行换热，电池组背面安装集热腔将菲涅尔聚光镜对电池产生的高温热量收集，对不同的热流密度，控制器通过温度传感器的反馈联动多级热管组对集热腔换热；热管冷凝端安装有换热箱，换热后的水存进储水箱，储水箱连接用户端。该装置多方面有效利用了太阳光热能，降低了成本，具有使用方便、实用性高、能耗低等特点。

Description

一种高倍聚光电池组的多级热管换热系统及换热方法
技术领域
本发明属于光伏电池的散热领域，具体涉及一种高倍聚光电池组的多级热管换热系统及换热方法。
背景技术
太阳能的普遍使用，已经成为了当今新能源的主力，而太阳能的热利用是一项非常重要的技术。采用菲涅尔镜将太阳光聚焦至电池组，电池组将光能转化成电能并存储在蓄电池中，聚集的阳光投射在太阳能电池板上，焦点处会产生很高的热量，一方面会产生热量损失，另一方面会使光伏电池表面温度急剧升高。温度升高会带来两个影响：一是光伏电池的光电转换效率随着温度升高而降低。电池组件温度每降低1K，输出电量增加0.2％～0.5％，二是长时间的高温会给光伏电池带来不可逆的损伤。所以通过不同类型的热管导热能力，将电池的高温热量收集并进行换热利用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为了克服高倍聚光系统对光伏电池造成高温的问题。现提供一种高倍聚光电池组的多级热管换热系统及换热方法，利用不同类型热管对不同工况下的电池选择合适的热管组进行换热，并对换热水进行分段存储利用的技术。
本发明的技术方案：
一种高倍聚光电池组的多级热管换热系统，包括：控制器1、菲涅尔高倍聚光电池组3、蓄电池4、电加热装置5、换热水箱8、多级热管组系统19、三层储水箱15和用户端15；
菲涅尔高倍聚光电池组3包括菲涅尔聚光镜3-1、聚光镜支架3-2、光伏电池组3-3、预热水管3-4、相变集热腔3-5、温度传感器3-6和多级热管组系统蒸发端通道3-7；菲涅尔聚光镜3-1通过聚光镜支架3-2与光伏电池组3-3连接；光伏电池组3-3由光伏电池拼接组成，光伏电池之间存在缝隙，预热水管3-4排布在光伏电池之间的缝隙中；光伏电池组3-3与蓄电池4连接；光伏电池组3-3的下部设置相变集热腔3-5；相变集热腔3-5内部设置有温度传感器3-6和多级热管组系统的蒸发端通道3-7，并且相变集热腔3-5中填充有中温相变材料；
电加热装置5包括耐腐蚀电加热管5-1、保温棉5-2、预热水进口5-3、温度探头5-4、预热水出口5-5、电加热装置5-6和高温蒸汽排气阀5-7；保温棉5-2包覆于电加热装置5的外周，电加热装置5的顶部设置有预热水进口5-3和高温蒸汽排气阀5-7，高温蒸汽排气阀5-7用于防止耐腐蚀电加热管5-1的加热温度过高导致电加热装置5内蒸汽膨胀，电加热装置5底部设置有电加热装置5-6；预热水进口5-3与预热水管3-4出水口连接；电加热装置5内部设置有耐腐蚀电加热管5-1和温度探头5-4，温度探头5-4用于实时反馈预热水加热温度至控制器1；耐腐蚀电加热管5-1与蓄电池4电性连接，蓄电池4储存光伏电池组3-3转化的电量，并在需要时供耐腐蚀电加热管5-1工作；
换热水箱8内部设置有温控电磁阀温度传感器11和多级热管组系统19；换热水箱8进水口通过水管与预热水出口5-5连接，水管上设置有换热水泵7；多级热管组系统19包括中温热管组19-1、常温热管组19-2、固定套19-3、电磁阀19-4、活塞杆19-5、活动气缸19-6和螺纹形翅片19-7；固定套19-3共两个，分别将所有的中温热管组19-1和所有的常温热管组19-2固定连接；固定套19-3下端均安装有电磁阀19-4，电磁阀19-4通过活塞19-5与活动气缸19-6连接；中温热管组19-1和常温热管组19-2的冷凝端设有螺纹形翅片19-7；电磁阀19-4通过控制活动气缸19-6来推动活塞19-5运作，将中温热管组19-1和常温热管组19-2的蒸发端推进多级热管组系统蒸发端通道3-7；
储水箱系统12包括进水口接口12-1、保温材料12-2、出水接口12-3、挡水隔板12-4和储水空间12-5；保温材料12-2包裹在储水箱系统12的外表面；储水箱系统12的一侧设置有进水口接口12-1，另一侧设置有出水接口12-3；进水口接口12-1与出水接口12-3个数相同，且根据储水箱系统12中分层数确定；储水箱系统12中分层通过挡水隔板12-4实现，将储水箱系统12的水箱分成不同温度水的储水空间12-5；储水箱系统12的进水口接口12-1分别与水管的一端连接，各自的水管上分别设置有温控电磁阀10；水管的另一端合并为一根水管与换热水箱8连接，合并后的水管上设置有存储水泵9；换热水箱8的温控电磁阀温度传感器11和温控电磁阀10联动，当温控电磁阀温度传感器11将温度信号传递至控制器1时，控制器1控制温控电磁阀10是否开关，不同温度的水从换热水箱8内分别流入储水空间12-5不同温度层中；
储水箱系统12的分层水出口12-3分别与水管一端连接，水管上均设置有干燥工作阀门13，水管的另一端合并为一根水管与用户端15连接，合并后的水管上设置有动力水泵14；用户端15通过循环主水管道17与预热水管3-4进水口连接，循环主水管道17上设置有循环水泵18；通过打开干燥工作阀门13，动力水泵14将热水输入用户端15，从用户端15流出的水通过循环主水管道17和循环水泵18流转，最终流入预热水管3-4重新循环；
控制器1通过非屏蔽双绞线6分别与温度传感器3-6、温度探头5-4、温控电磁阀温度传感器11、温控电磁阀10以及热管组的活动电磁阀气缸组件连接；控制器1可以接收温度传感器3-6、温度探头5-4和温控电磁阀温度传感器11的温度检测信号，并控制温控电磁阀10的开关和热管组的活动电磁阀气缸组件工作；控制器1上设置有欧姆龙温度表头1-1和控制箱门锁2，欧姆龙温度表头1-1实时显示各个传感器的温度，并且可以设定控制温控电磁阀10工作的启动温度。
进一步的，所述的用户端15能够利用储水箱系统12中不同温度的分层热水，为用户提供梯级分层供暖。
进一步的，所述的用户端15为梯级分层供暖系统，梯级分层供暖系统内部设置有换热器16，不同温度热水通过换热器16为用户供暖。
采用所述的高倍聚光电池组的多级热管换热系统的换热方法：
当整个系统开始工作时，菲涅尔聚光镜3-1将太阳光聚焦至光伏电池组3-3上，光伏电池组3-3将光能转化为电能并存储在蓄电池4中，光伏电池组3-3下部设置有内部装有中温相变储热材料的相变集热腔3-5，用于收集聚焦在光伏电池组3-3上的热量；
预热水管3-4先对光伏电池组3-3进行初步散热，预热水管3-4中的预热水依次流经电加热装置5、换热水箱8、储水箱系统12和用户端15，最终回流入预热水管道3-4中，形成一个闭合式循环工作系统；温控电磁阀温度传感器11会实时监测换热水箱8内的水温，每个温控电磁阀10的开启温度不同，当温控电磁阀温度传感器11的温度达到某个温控电磁阀10预设的开启温度时，则储水泵10开始工作，并开启相应温控电磁阀10阀门、储水箱系统12的进水口接口12-1以及出水接口12-3，水经过三层储水箱12流入用户端15；
控制器1会根据温度传感器3-6测量得到的温度来控制耐腐蚀电加热管5-1和多级热管组系统19是否工作；当天气工况较差，温度传感器3-6测量得到的温度低于控制器1预设值时，耐腐蚀电加热管5-1工作，多级热管组系统19不工作；当天气工况较好，温度传感器3-6测量得到的温度高于控制器1预设值时，耐腐蚀电加热管5-1不工作，多级热管组系统19工作；
当多级热管组系统19工作时,温度传感器3-6的将测得的光伏电池组3-3的温度反馈至控制器1；当温度传感器3-6检测温度达到中温热管组19-1或常温热管组19-2的启动温度时，控制器1控制中温热管组19-1或常温热管组19-2插入相变集热腔3-5的多级热管组系统蒸发端通道3-7中，相变集热腔3-5的热量从热管组的蒸发端传递至换热水箱8内热管组的冷凝端，预热水流经中温热管组19-1或常温热管组19-2的冷凝端进行二次换热；当温度传感器3-6检测温度逐渐降低时，控制器1先控制中温热管组组19-1退出相变集热腔3-5，再将常温热管组19-2退出相变集热腔3-5。
附图说明
图1是本发明主系统示意图；
图2是本发明中的菲涅尔高倍聚光电池组和相变集热腔示意图；
图3是本发明中的电加热装置示意图；
图4是本发明中的多级热管组系统结构示意图；
图5是本发明中的多级热管组系统主视图；
图6是本发明中的储水箱系统示意图；
图7是本发明中的控制器面板示意图；
图中：1、控制器；1-1、欧姆龙调节表头；2、控制箱门锁；3、菲涅尔高倍聚光电池组；3-1、菲涅尔聚光镜；3-2、聚光镜支架；3-3、光伏电池组；3-4、预热水管；3-5、相变集热腔；3-6、温度传感器；3-7、多级热管组系统蒸发端通道；4、蓄电池；5、电加热装置；5-1、耐腐蚀电加热管；5-2、保温棉；5-3、预热水进口；5-4、温度探头；5-5、预热水出口；5-6、电加热装置底座；5-7、高温蒸汽排气阀；6、非屏蔽双绞线；7、换热水泵；8、换热水箱；9、存储水泵；10、温控电磁阀；11、温控电磁阀温度传感器；12、储水箱系统；12-1、进水口接口；12-2、保温材料；12-3、出水接口；12-4、分层挡板；12-5、储水空间；13、干燥工作阀门；14、动力水泵；15、用户端；16、换热器；17、循环主水管道；18、循环水泵；19、多级热管组系统；19-1、中温热管组；19-2、常温热管组；19-3、固定套；19-4、电磁阀；19-5、活塞杆；19-6、活动气缸；19-7、螺纹翅片；具体实施方式
结合附图对本发明做进一步详细的阐述。如下附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
本发明提出了一种高倍聚光电池组的多级热管换热系统及换热方法，包括：带集热腔的菲涅尔高倍聚光电池组3、与各传感器相连的控制器1、蓄电池4，以及与蓄电池相连的电加热装置5、带有多级热管组的换热水箱8、储水箱系统12、用户端15。
所述的一种高倍聚光电池组的多级热管换热系统及换热方法，其特征是：所述的带集热腔的菲涅尔高倍聚光电池组3由菲涅尔聚光镜3-1、光伏电池组3-3、相变集热腔3-5组成光伏电池组，表面铺设预热水盘管3-4、相变集热腔3-5内安装温度传感器3-6，内部设有多级热管组系统蒸发端通道3-7。
所述的一种高倍聚光电池组的多级热管换热系统及换热方法，其特征是：所述的电加热系统5包括：温度探头2、温度探头5-4、预热水出口5-5、电加热装置底座5-6、耐腐蚀电加热管5-1、保温棉5-2、预热水进口5-3，蓄电池4存储光伏电池转化的电量供耐腐蚀电加热管5-1工作，高温蒸汽排气阀5-7防止加热温度过高导致电加热箱内蒸汽膨胀。当天气工况较差时，温度传感器3-6到达一设定值，开启电加热装置5，预热水流经耐腐蚀电加热管5-1进行加热此时换热水箱系统8不工作，温度探头5-4实时反馈加热温度，当温度分别到达不同温控电磁阀10的设定值，则开启相应的阀门和水箱进出口，将水存进储水箱系统12。当天气工况较好时，耐腐蚀电加热管5-1不工作。
所述的一种高倍聚光电池组的多级热管换热系统及换热方法，其特征是：所述的换热水箱8进水口与电加热装置5的预热水出口相连，换热水箱8内部装有温控电磁阀温度传感器11和多级热管组系统19，热管组的冷凝端安装螺纹翅片19-7。常温热管组19-2和中温热管组19-1按四周排布，分别由固定套19-3连接在一起。两组热管组的固定套下端安装电磁阀19-4，控制活动气缸19-6推动活塞杆19-5运作将热管组的蒸发端推进多级热管组系统蒸发端通道7。比如一天中，热流密度从低到高再下降分布，温度传感器3-6数值到达设定值后，此时集热腔内温度没有达到中温热管组19-1的启动温度，先将常温热管组19-2的蒸发端推入相变集热腔3-5内，进行换热，预热水流经常温热管组19-2的冷凝端进行二次换热，当温控电磁阀温度传感器11到达温控电磁阀10的设定值，则开启相应的阀门和水箱进出口，将水存进储水箱。随着热流密度的增加，温度传感器3-6到达设定值后，此时相变集热腔3-5内温度较高，到达常温热管组19-2的工作极限且到达中温热管组19-1的启动温度，控制器1将中温热管组19-1的蒸发端推入相变集热腔3-5内，进行换热，预热水流经中温热管组19-1的冷凝端进行二次换热，当温控电磁阀温度传感器11到达温控电磁阀10的设定值，则由存储水泵9工作并开启相应的阀门和水箱进出口，将水存进储水箱系统12。随着热流密度逐渐降低，集热腔内温度降低时，控制器1先将中温热管组19-1退出相变集热腔3-5，再将常温热管组19-2退出相变集热腔。
所述的一种高倍聚光电池组的多级热管换热系统及换热方法，其特征是：所述的储水箱系统12外面包有保温材料12-2，外测安装换热水进口12-1连接换热水箱8，出水接口12-3连接用户端15，储水箱系统12内有分层挡板12-4将水箱分成存储不同温度水的储水空间12-5。换热水进口12-1外测分别安装温控电磁阀10，换热水箱8的温控电磁阀温度传感器11和温控电磁阀10联动，由控制器1控制，根据温控电磁阀温度传感器11的反馈值，控制温控电磁阀10，将设定温度的水存进不同层的储水箱系统12。
所述的一种高倍聚光电池组的多级热管换热系统及换热方法，其特征是：所述的用户端15，换热器16，通过动力水泵14使加温热水在用户端15内流动，结束后通过循环主水管道17和循环水泵18流转，经过预热水管3-4重新进行工作。
所述的一种高倍聚光电池组的多级热管换热系统及换热方法，其特征是：控制器1通过非屏蔽双绞线6分别与温度传感器3-6、温度探头5-4、温控电磁阀温度传感器11、温控电磁阀10以及热管组的活动电磁阀气缸组件连接；控制器1可以接收温度传感器3-6、温度探头5-4和温控电磁阀温度传感器11的温度检测信号，并控制温控电磁阀10的开关和热管组的活动电磁阀气缸组件工作；控制箱面板上安装温度传感器的欧姆龙温度表头1-1，实时显示各个传感器的温度，并且可以设定系统温度来控制电磁阀工作的启动温度，使用户端15内存储不同的温度的热水。
上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员可以在不偏离本发明技术思想的范围内，进行多样的变化和替换。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (4)

1.一种高倍聚光电池组的多级热管换热系统，其特征在于，包括：控制器(1)、菲涅尔高倍聚光电池组(3)、蓄电池(4)、电加热装置(5)、换热水箱(8)、多级热管组系统(19)、储水箱系统(12)和用户端(15)；
菲涅尔高倍聚光电池组(3)包括菲涅尔聚光镜(3-1)、聚光镜支架(3-2)、光伏电池组(3-3)、预热水管(3-4)、相变集热腔(3-5)、温度传感器(3-6)和多级热管组系统蒸发端通道(3-7)；菲涅尔聚光镜(3-1)通过聚光镜支架(3-2)与光伏电池组(3-3)连接；光伏电池组(3-3)由光伏电池拼接组成，光伏电池之间存在缝隙，预热水管(3-4)排布在光伏电池之间的缝隙中；光伏电池组(3-3)与蓄电池(4)连接；光伏电池组(3-3)的下部设置相变集热腔(3-5)；相变集热腔(3-5)内部设置有温度传感器(3-6)和多级热管组系统的蒸发端通道(3-7)，并且相变集热腔(3-5)中填充有中温相变材料；
电加热装置(5)包括耐腐蚀电加热管(5-1)、保温棉(5-2)、预热水进口(5-3)、温度探头(5-4)、预热水出口(5-5)、电加热装置底座(5-6)和高温蒸汽排气阀(5-7)；保温棉(5-2)包覆于电加热装置(5)的外周，电加热装置(5)的顶部设置有预热水进口(5-3)和高温蒸汽排气阀(5-7)，高温蒸汽排气阀(5-7)用于防止耐腐蚀电加热管(5-1)的加热温度过高导致电加热装置(5)内蒸汽膨胀，电加热装置(5)底部设置有电加热装置底座(5-6)；预热水进口(5-3)与预热水管(3-4)出水口连接；电加热装置(5)内部设置有耐腐蚀电加热管(5-1)和温度探头(5-4)，温度探头(5-4)用于实时反馈预热水加热温度至控制器(1)；耐腐蚀电加热管(5-1)与蓄电池(4)电性连接，蓄电池(4)储存光伏电池组(3-3)转化的电量，并在需要时供耐腐蚀电加热管(5-1)工作；
换热水箱(8)内部设置有温控电磁阀温度传感器(11)和多级热管组系统(19)；换热水箱(8)进水口通过水管与预热水出口(5-5)连接，水管上设置有换热水泵(7)；多级热管组系统(19)包括中温热管组(19-1)、常温热管组(19-2)、固定套(19-3)、电磁阀(19-4)、活塞杆(19-5)、活动气缸(19-6)和螺纹形翅片(19-7)；固定套(19-3)共两个，分别将所有的中温热管组(19-1)和所有的常温热管组(19-2)固定连接；固定套(19-3)下端均安装有电磁阀(19-4)，电磁阀(19-4)通过活塞(19-5)与活动气缸(19-6)连接；中温热管组(19-1)和常温热管组(19-2)的冷凝端设有螺纹形翅片(19-7)；电磁阀(19-4)通过控制活动气缸(19-6)来推动活塞(19-5)运作，将中温热管组(19-1)和常温热管组(19-2)的蒸发端推进多级热管组系统蒸发端通道(3-7)；
储水箱系统(12)包括进水口接口(12-1)、保温材料(12-2)、出水接口(12-3)、挡水隔板(12-4)和储水空间(12-5)；保温材料(12-2)包裹在储水箱系统(12)的外表面；储水箱系统(12)的一侧设置有进水口接口(12-1)，另一侧设置有出水接口(12-3)；进水口接口(12-1)与出水接口(15-3)个数相同，且根据储水箱系统(12)中分层数确定；储水箱系统(12)中分层通过挡水隔板(12-4)实现，将储水箱系统(12)的水箱分成不同温度水的储水空间(12-5)；储水箱系统(12)的进水口接口(12-1)分别与水管的一端连接，各自的水管上分别设置有温控电磁阀(10)；水管的另一端合并为一根水管与换热水箱(8)连接，合并后的水管上设置有存储水泵(9)；换热水箱(8)的温控电磁阀温度传感器(11)和温控电磁阀(10)联动，当温控电磁阀温度传感器(11)将温度信号传递至控制器(1)时，控制器(1)控制温控电磁阀(10)是否开关，不同温度的水从换热水箱(8)内分别流入储水空间(12-5)不同温度层中；
储水箱系统(12)的分层水出口(12-3)分别与水管一端连接，水管上均设置有干燥工作阀门(13)，水管的另一端合并为一根水管与用户端(15)连接，合并后的水管上设置有动力水泵(14)；用户端(15)通过循环主水管道(17)与预热水管(3-4)进水口连接，循环主水管道(17)上设置有循环水泵(18)；通过打开干燥工作阀门(13)，动力水泵(14)将热水输入用户端(15)，从用户端(15)流出的水通过循环主水管道(17)和循环水泵(18)流转，最终流入预热水管(3-4)重新循环；
控制器(1)通过非屏蔽双绞线(6)分别与温度传感器(3-6)、温度探头(5-4)、温控电磁阀温度传感器(11)、温控电磁阀(10)以及热管组的活动电磁阀气缸组件连接；控制器(1)可以接收温度传感器(3-6)、温度探头(5-4)和温控电磁阀温度传感器(11)的温度检测信号，并控制温控电磁阀(10)的开关和热管组的活动电磁阀气缸组件工作；控制器(1)上设置有欧姆龙温度表头(1-1)和控制箱门锁(2)，欧姆龙温度表头(1-1)实时显示各个传感器的温度，并且可以设定控制温控电磁阀(10)工作的启动温度。
2.根据权利要求1所述的一种高倍聚光电池组的多级热管换热系统，其特征在于，所述的用户端(15)能够利用储水箱系统(12)中不同温度的分层热水，为用户提供梯级分层供暖。
3.根据权利要求2所述的一种高倍聚光电池组的多级热管换热系统，其特征在于，所述的用户端(15)为梯级分层供暖系统，梯级分层供暖系统内部设置有换热器(16)，不同温度热水通过换热器(16)为用户供暖。
4.采用权利要求1-3任一所述的高倍聚光电池组的多级热管换热系统的换热方法，其特征在于，当整个系统开始工作时，菲涅尔聚光镜(3-1)将太阳光聚焦至光伏电池组(3-3)上，光伏电池组(3-3)将光能转化为电能并存储在蓄电池(4)中，光伏电池组(3-3)下部设置有内部装有中温相变储热材料的相变集热腔(3-5)，用于收集聚焦在光伏电池组(3-3)上的热量；
预热水管(3-4)先对光伏电池组(3-3)进行初步散热，预热水管(3-4)中的预热水依次流经电加热装置(5)、换热水箱(8)、储水箱系统(12)和用户端(15)，最终回流入预热水管道(3-4)中，形成一个闭合式循环工作系统；温控电磁阀温度传感器(11)会实时监测换热水箱(8)内的水温，每个温控电磁阀(10)的开启温度不同，当温控电磁阀温度传感器(11)的温度达到某个温控电磁阀(10)预设的开启温度时，则储水泵(10)开始工作，并开启相应温控电磁阀(10)阀门、储水箱系统(12)的进水口接口(12-1)以及出水接口(12-3)，水经过储水箱系统(12)流入用户端(15)；
控制器(1)会根据温度传感器(3-6)测量得到的温度来控制耐腐蚀电加热管(5-1)和多级热管组系统(19)是否工作；当天气工况较差，温度传感器(3-6)测量得到的温度低于控制器(1)预设值时，耐腐蚀电加热管(5-1)工作，多级热管组系统(19)不工作；当天气工况较好，温度传感器(3-6)测量得到的温度高于控制器(1)预设值时，耐腐蚀电加热管(5-1)不工作，多级热管组系统(19)工作；
当多级热管组系统(19)工作时,温度传感器(3-6)的将测得的光伏电池组(3-3)的温度反馈至控制器(1)；当温度传感器(3-6)检测温度达到中温热管组(19-1)或常温热管组(19-2)的启动温度时，控制器(1)控制中温热管组(19-1)或常温热管组(19-2)插入相变集热腔(3-5)的多级热管组系统蒸发端通道(3-7)中，相变集热腔(3-5)的热量从热管组的蒸发端传递至换热水箱(8)内热管组的冷凝端，预热水流经中温热管组(19-1)或常温热管组(19-2)的冷凝端进行二次换热；当温度传感器(3-6)检测温度逐渐降低时，控制器(1)先控制中温热管组(19-1)退出相变集热腔(3-5)，再将常温热管组(19-2)退出相变集热腔(3-5)。
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