CN1653623A - 电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明具有输出特性不同的多个电池的输出由公共的端子输出、并且极力抑制电池间的连接而导致的能量效率降低的构造的电源装置。输出电压和输出电流都不同的多个电池(10a－10c)的输出被调节为相互同一的输出电压后，满足并联关系，从端子(4、5)输出。因各电池的输出为并联输出，所以不象串联那样，出现输出电流小的电池限制整个电源的输出电流的问题。再者，因为是在调节为同一的输出电压后进行连接，所以不产生逆流等的问题。在应用于串联式太阳能电池时，各个串联光电转换元件分配光吸收波长特性，以便最大效率利用太阳光，即使在太阳光的波长分布大大偏离标准分布时，也不降低光电能转换效率。

Description

电源装置

技术领域

本发明涉及由太阳能电池(光电转换装置)和化学电池等电池构成的电源装置。

背景技术

作为代替化石燃料的能源，利用太阳光的太阳能电池倍受注目，进行了各种研究。太阳能电池是一种将光能转换为电能的光电转换装置。

在现在最为普及的利用半导体的pn结或不同材料的异质连接的太阳能电池中，吸收例如入射到pn结的光子中的带有比半导体的带隙能量大的能量的光子，价带的电子被激发到导带上，同时在价带中产生空穴。这样的半导体内产生的电子-空穴对，利用形成在pn结的内部电场，电子往n型半导体层的方向移动，空穴往p型半导体层的方向移动，产生电动势。

另一方面，作为利用新原理的太阳能电池，人们公知的有应用了光诱导电子移动的湿式太阳能电池。图9A是湿式太阳能电池一例的概要截面图。该湿式太阳能电池主要由玻璃等的透明基板11、ITO(Indium Tin Oxide)等的透明电极12、二氧化钛TiO₂等的半导体层14、对置电极17、保持在半导体层14和对置电极17之间的电解质层16、基板19等构成。在半导体层14的电解质层16侧表面上，还吸附有由钌络合物构成的光敏色素等的、在可见光区域附近具有吸收光谱的光吸收物质15。

图9A的装置若有光入射，则对置电极17为正极、透明电极12为负极的电池工作。其原理如下所述。

光吸收物质15吸收入射到半导体层14的光子的话，光吸收物质15中的电子由基态被激发到激发态。因在光吸收物质15和半导体层14之间形成羧基等的电结合，所以激发态的电子迅速移动到半导体层14的导带上，通过半导体层14到达透明电极12。

另一方面，光吸收物质15失去电子而产生的阳离子，从电解质层16的阴离子得到电子，进行电中和。失去电子的阴离子通过扩散到达对置电极17，从对置电极17得到电子。

无论上述哪一种太阳能电池，其最为重要的特性之一是：将光能转换为电能的能量的转换效率。在提高该转换效率方面，存在较大的问题。

1个光子带有的能量，和光的振动频率成正比，和光的波长成反比。因太阳光等的普通光含有各种波长的光，所以普通光是带有各种能量的光子的集合。

与此不同的是，物质中的电子只能得到量子力学决定的、其物质固有的几个能量状态。由此，处于基态的电子和处于激发态的电子的能量差，即，电子从基态激发到激发态所需的能量也作为该物质固有的值是固定的(以下将该能量称为“激发能量E_x”，将带有与此相同能量的光子的波长记为λ_x)。

在利用pn结的太阳能电池中，价带(基态)和导带(激发态)的能量差，即，带隙能量是激发能量E_x。在湿式太阳能电池中，光吸收物质的基态和激发态的能量差为激发能量E_x。

图8是表示在均匀含有可见光附近的全部波长的光的光入射到太阳能电池时，光能转换为电能的比例的曲线示意图。

波长比λ_x长的、光子的能量未满激发能量E_x的光，因不能激发电子，所以不被吸收，该能量不转换为电能。即，波长比λ_x长的光能不能利用而浪费掉(图8的斜线部分(I))。

相反，波长比λ_x短、光子能量大于激发能量E_x的光即使被吸收，但电子获得的能量也不超过E_x。即，即使利用带有超过E_x的强能量的光进行激发，但超过E_x的能量也转换为热能而浪费掉(图8的斜线部分(II))。

若将E_x减小的话，则斜线部分(I)的浪费变小，而斜线部分(II)的浪费增大。若将E_X增大，则斜线部分(II)的浪费变小，而斜线部分(I)的浪费增大。这样，斜线部分(I)和(II)所示的不能利用的能量处于一方减小，则另一方增大的相悖的关系。

图9B是表示图9A的湿式太阳能电池的太阳光的能量转换为电能的比例的示意曲线图。从太阳照射到地球上的光具有图9B所示的波长分布。在仅用单一的光吸收物质的太阳能电池中，因为上述的相悖的关系，即使按照未满激发能量的浪费能量和超过激发能量的浪费能量的总和为最小来选择激发能量E_x，能量转换效率的最大值也不能超过约33％。

为了克服这样的相悖的关系，实现更高的能量转换效率，人们提出了串联式的太阳能电池，它是将带有不同的光吸收波长特性(即，不同的E_x)的多个光电转换元件层叠在透光方向上层叠的电池(日本特许公开公报平11-273753号、日本特许公开公报2000-90989号、日本特许公开公报2000-100483号等，以下将串联式太阳能电池中层叠的各光电转换元件称为串联式光电转换元件)。

在串联式太阳能电池中，用前级的串联光电转换元件不能吸收的波长的光，能够用后级的串联光电转换元件吸收，能够提高光的吸收效率，进一步提高能量转换效率。

图10A是利用湿式太阳能电池的串联式太阳能电池10的一例的截面示意图。从离入射光近的一侧开始，以10a、10b和10c的顺序依次将3个串联式光电转换元件层叠。

各串联式光电转换元件具有和图9A所示的单层的湿式太阳电池近似一样的构成。例如，串联光电转换元件10a由玻璃基板11、透明电极12a、半导体层14a、光吸收物质15a、电解质层16a、对置电极17a和隔层20(相当于基板19)构成。但是，为了让没被光吸收物质15a吸收的光透过到下一个串联式光电转换元件，对置电极17a和隔层20是由光容易透过的材质和构造构成。

为了以高的转换效率将宽波长范围的光进行光电转换，各串联式光电转换元件的光吸收物质15a-15c的吸收波长最好是相互不同，离光的入射方向越远的层的光吸收物质，其吸收越长波长的光。

例如，作为光吸收物质15a，可用蒽醌类黄色素，作为光吸收物质15b，可用蒽醌类洋红色素，作为光吸收物质15c，可用蒽醌类蓝绿色色素等。

为了使光吸收物质的电子所吸收的激发能量尽量不浪费，作为半导体层的导带电子的能量加以保存，作为电池电动势输出，半导体层14a-14c也最好配合光吸收物质15a-15c进行优化。即，相对于各光吸收物质15a-15c，分别组合带有尽量接近其激发能量的带隙能量的半导体。

例如，对于吸收波长短的光的、激发能量大的光吸收物质，组合氧化锆ZrO₂以代替二氧化钛TiO₂；对于吸收波长长的光、激发能量小的光吸收物质，可组合氧化锡SnO₂。

图10B是表示这样构造的串联式太阳能电池的太阳光的能量转换为电能的比例的曲线示意图。和图9B相比，发现利用串联式太阳能电池可以利用单层的太阳能电池丢弃的太阳光的长波长的成分，同时，还提高了短波长成分的能量转换效率。

在串联式太阳能电池中，大多是分割各元件吸收的波长范围，将层叠的各串联式光电转换元件的电输出串联，使各元件的输出电流相互相同。

利用该方式，即使对成为标准的太阳光的波长分布进行设定，使从各个元件输出的输出电流相同，但是，在夏季和冬季、白天和早晚等，太阳光的波长分布较大偏离标准的分布的情况下，从层叠的各个元件中输出的输出电流产生大偏差。若将该状态的各个元件串联的话，因光量不足，而输出电流小的元件会使整个电池的内阻增大，出现限制输出电流的问题。

而当将各个串联式光电转换元件并联时，因各个元件的输出电压不同，输出最大电压的元件的电能在除此以外的元件中产生逆流，出现称为一部分丧失的问题。

其他的问题是：使各个串联式光电转换元件输出的输出电流等同的波长分割模式，与最大效率利用太阳光的波长分割模式通常不一致。利用上述方式，称为串联的输出的方式限制了每个串联光电转换元件所分配的光吸收波长特性，妨碍最大效率利用太阳光。

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种电源装置，它采用的构造是输出特性不同的多个电池的输出由公共的端子输出，并且可极力抑制电池间连接所引起的能量效率的降低。

发明内容

即，本发明涉及将输出特性不同的多个电池相互并行配置，并将上述多个电池的各输出调节到相互同一的电压，而这些输出由公共的端子输出而成的电源装置。

利用本发明，输出电压和输出电流不同的上述多个电池的输出被调节到相互同一的输出电压后，由公共端子输出，以满足并联的关系。

由于上述多个电池的输出满足并联关系而输出，所以不同于串联，不出现输出电流小的电池使整个电池的内阻增大，限制输出电流的问题。

因为在调节为同一的输出电压后从公共的端子输出，所以也不出现将不同的输出电压的输出进行并联时所引起的逆流等的问题。

附图说明

图1是表示根据本发明实施方式1的电源装置的构造示意图。

图2是表示电压调整电路的一例，即升压型斩波方式调节电路的示意图。

图3是表示根据本发明实施方式2的电源装置的构造示意图。

图4是表示根据本发明实施方式3的电源装置的构造示意图。

图5A-图5C是表示利用小型电池的电池矩阵的布线图形的平面示意图。

图6是表示适用于在本发明的实施方式3中的串联级数变化电路的示意图。

图7是表示同样适合于本发明实施方式3的、其它的串联级数变化电路的示意图。

图8是简要表示均匀含有所有波长的光的光照射到太阳能电池时，光能被转换为电能的比例的曲线图。

图9A是湿式太阳能电池的一例的截面示意图；图9B是表示利用湿式太阳能电池将太阳光的能量转换为电能的比例的曲线示意图。

图10A是湿式太阳能电池的串联式太阳能电池的一例的截面示意图；图10B是利用串联式湿式太阳能电池，将太阳光的能量转换为电能的比例的曲线示意图。

具体实施方式

在本发明中，上述多个电池可以分别通过电压调整电路相互并联而成。

另外，上述来自多个电池的各输出也可以暂时存储在电容器内，通过对于这些各电容器可切换连接的上述电压调整电路分时输出上述各电容器的存储电荷作为上述同一的电压。

上述多个电池也可以分别被分割为多个单元(unit)，对这些分割后的电池的串联级数和并联个数进行调整而构成。

本发明中，上述多个电池是太阳能电池等的光电转换元件，例如可以是在光的透过方向上层叠的、并且带有相互不同的光吸收特性的光电转换元件。

以下，参照附图对根据本发明的实施方式进行具体地说明。

实施方式1

图1是表示串联式湿式太阳能电池10的各串联光电转换元件10a-10c的输出分别通过它们各自的电压调整电路3a-3c相互并联，并在公共的输出端子1和2之间输出的电源装置的构造示意图。

图10A是串联式湿式太阳能电池10的截面示意图。串联式湿式太阳能电池10中，在玻璃基板11、2片隔层20、另一侧的基板19之间，从入射光近的一侧开始分别依次固定了第一层的串联式固定转换元件10a、第二层的串联式光电转换元件10b和第三层的串联式光电转换元件10c。

隔层20，其材质定为光容易透过的材质，其形状，例如可成形为透明的玻璃板、或聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚碳酸酯等的透明的塑料板。基板19因不必让光透过，所以也可用不透明的玻璃板、塑料板、陶瓷板、金属板。

各串联式光电转换元件10a-10c具有相同的结构，分别由ITO(Indium TinOxide)等构成的透明电极12a-12c和对置电极17a-17c、二氧化钛TiO₂等构成的半导体层14a-14c、光吸收物质15a-15c、电解质层16a-16c等。

作为电解质层16a-16c，可用电解质溶液、或凝胶状或固体状的电解质。作为电解质溶液，可用含有I-/I3-等的氧化还原类(氧化还原电对)的溶液。具体地说，可使用将碘和碘化铵溶解在乙腈等的溶剂中而成的溶液。电池的侧面被环氧类热固化性树脂、丙烯类紫外线固化树脂、水玻璃等的密封剂18密封。

光吸收物质15a-15c的吸收波长相互不同，越远离光的入射方向的层的光吸收物质，吸收越长波长的光。例如，作为光吸收物质15a，可用蒽醌类黄色素，作为光吸收物质15b，可用蒽醌类洋红色素，作为光吸收物质15c，可用蒽醌类蓝绿色色素等。

作为电压调整电路3a-3c，无论使用升压型、降压型、升降压型均可，最好用低耗电的高效的电路。可用现有的DC-DC变换器电路。

图2表示了作为一例的升压型斩波方式稳压电路的示意图。来自串联式光电转换元件的输出电压V1由输入端子51和接地端子52输入，升压至所需电压的输出电压V0由输出端子53和接地端子54输出。

在图2的左侧的电路中，在输入端子51和接地端子52之间串联插入线圈55和开关晶体管56，晶体管56处于导通的状态期间，电流I₁流过，将能量存储在线圈55中。

图2中的外圈电路，即，在输入端子51和接地端子52之间串联插入线圈55、二极管57、电容器58的电路中，晶体管56处于截止的状态期间，因线圈55的反电动势而升压的电流I₂流过，经过二极管57，对电容器58充电。此时，存储在线圈55中的从串联式光电转换元件输出的能量，作为电容器58的充电能由输出一侧送出。

为了切换上述2个动作，对开关晶体管56的基极端(base terminal)加上由控制电路59输出的矩形波的控制脉冲。

以下，将重点放在电压调节作用上，对稳定状态的图2的电路动作进行说明。

若对晶体管56的基极端加上正的脉冲，晶体管56处于导通的状态时，从串联式光电转换元件流向线圈55和晶体管56的电流I₁开始流动。至少经过数次循环期间，VI因被看成恒定，所以流入线圈55的电流I₁如下式所述，从流动开始，和时间成正比增加。

dI₁/dt＝V₁/L，其中L是线圈55的电感量。

因此，若将晶体管56处于导通状态的期间定为t_ON，导通状态的初始I₁的值定为I_1s，导通状态的结束时的I₁的值定为I_1E，则下式关系成立，

I_1E＝I_1s+(V₁/L)t_ON

若晶体管56的基极电位降低到接地电位，晶体管56处于截止状态时，在线圈55的两端间感应产生反电动势V_L，二极管57处于导通状态，由线圈55流向电容器58的电流I₂开始流动。若忽略二极管57的电压的下降，则下面关系成立，

V_L＝-(dI₂/dt)L

V₁+V_L＝V₀

其中，忽略电容器58的脉动电压，V₀被认为近似恒定时，如下式所述，电流I₂从流动开始，和时间成正比减少。

dI₂/dt＝-V_L/L＝-(V₀-V₁)/L

若将晶体管56处于截止状态的期间定为t_Off，截止状态的初始I₂的值定为I_2s，截止状态的结束时的I₂的值定为I_2E时，则下式关系成立，

I_2E＝I_2s-(V₀-V₁)t_OFF/L

由于根据线圈55的性质，截止状态的结束时的I₂的值I_2E和上述的I_1s相同，截止状态的初始时的I₂的值I_2s和上述I_1E相同，所以下面关系成立，

I_1s＝I_1E-(V₀-V₁)t_OFF/L

＝(I_1s+V₁t_ON/L)-(V₀-V₁)t_OFF/L

整理上式后，变为

V₀＝(T_ON+t_OFF)V₁/t_OFF，可知即使输入电压V₁变化，通过调节t_ON/t_OFF，可以将输出电压V₀保持恒定。更加具体地说，控制电路59通过监控输出电压V₀，根据与固定值的偏差，增减矩形波脉冲的占空比，将V₀保持恒定。

不是所有的串联式光电转换元件都需要附加电压调整电路，也可以将其一个定为作为标准的串联式光电转换元件，仅对其他的串联式光电转换元件带有电压调整电路。

在本实施方式中，由于来自各串联式光电转换元件的输出电流满足并联关系输出，不因此与串联不同，不必使来自各元件的输出电流相互相同。因此，能够对各个串联式光电转换元件分配光吸收波长特性，以致于能够最大效率利用太阳光。

再者，即使在夏季和冬季、白天和早晚等，太阳光的波长分布大大偏离标准分布时，也没有输出电流小的电池限制整个电源的输出电流的问题。

由于将输出电压调节为同一的输出电压，从公共的端子输出，所以不出现并联不同的输出电压的输出时所产生的逆流等的问题。

实施方式2

图3是表示了如下构造的电源装置的构造示意图：串联式湿式太阳能电池10的经串联式光电转换元件10a-10c发电的能量暂时作为电荷存储在各电容器4a-4c中，利用对这些各电容器可切换连接的电压调整电路3d，使存储在各电容器的能量，作为具有同一电压的电流从公共的输出端子1和2间分时输出。

该开关电容器式的输出方式，可认为是实施方式1的输出方式的变形。由于各串联式光电转换元件10a-10c在电压调整后的输出没有同时连接在公共的输出端子1上，所以不能严格说输出进行并联，但各串联元件10a-10c相对于公共的输出端子1，以对等的关系并列配置的点上看，满足并联的关系，可以说是并联的变形。

另外，两者的不同之处是：在实施方式1中，设置和串联式光电转换元件相同数量的电压调节电路3a-3c，对所有的串联式元件的输出都经常进行电压调节，而与此不同的是，在实施方式2中，仅将多个电压调节电路的功能集中在1个电压调节电路3d，分时对各串联式光电转换元件的输出进行电压调节。实施方式2的电容器4a-4c是为了将等待处理期间的各串联式光电转换元件10a-10c的输出暂时进行保存而附加的。

作为电压调节电路3d可用和实施方式1所用的电路几乎一样的电路。但是，由于必须在有限时间内完成处理，所以必须是相应的应答速度快的电路。

作为将电压调节电路3d的输入进行切换的方式，可以采用公知的半导体开关的多路选通器。但是，原理上对此无限制，也可用切换触点的机械式开关。

虽然看起来不同，但由于各串联式光电转换元件的输出满足并联的关系、从公共的端子输出之处，和实施方式1相同，所以可以说得到了如实施方式1所述的同样的效果。

实施方式3

图4是表示具有如下构造的实施方式3的电源装置的构造示意图：预先将各光电转换层的串联式光电转换元件10a-10c分割成相同大小的多个的小型单元(cell)，通过仅设定小型单元的连接关系，在各层内形成相互同一的输出电压，它们以并联的关系从公共的端子1和2间输出。其中，和实施方式1和2不同，也可以不用升降压电路等的电压调节电路。

图4中的双重线的连接线表示：通过串联和并联的合用将小型的单元进行矩阵式连接，实际上，有多个将小型单元串联而成的串联组件，再将它们以相互并联的关系进行连接(以下将该矩阵式连接的全部小型单元称为电池矩阵)。

电池矩阵的输出电压是各层的电动势和小型单元的串联级数的积。为了将各层的电池矩阵的输出电压相互同一，必须考虑到各层的电动势，要决定适当的串联级数和可实现其段数的分割小型单元的分割数。

以下对该决定的顺序进行说明。例如设第1层的电动势为0.6V，第2层的电动势为0.4V，第3层的电动势为0.3V。因6、4和3的最小公倍数为12，所以将公共的输出电压定为1.2V或其整数倍1.2nV(n为整数)。

为了方便说明，将输出电压定为1.2V。为了形成该输出电压，因必须将第1层的小型单元2个、第2层的小型单元3个和第3层的小型单元4个串联，所以可以预先将各光电转换层的串联式光电转换元件10a-10c分割成(2、3和4的最小公倍数)12个的小型单元。

图5A-图5C是表示各光电转换层的串联式光电转换元件10a-10c被分割为12个的小型单元6a-6c，并使各电池矩阵输出同一的输出电压1.2V的布线状态的平面示意图。图5A是表示第一层电池矩阵的图、图5B是第二层电池矩阵的图、图5C是第三层电池矩阵的图。各层的电池矩阵的输出分别从输出端子7a-7c和8a-8c输出。

在串联级数的设定方法中有2种方法。简单的方法是：如上所述，使用预先决定的串联/并联布线图形，将其固定以后，不再变更。另一种方法是：即使在入射光的波长分布变化或电池的时效变化等所引起的各层的电动势变化的情况下，为了能将电池矩阵维持同一的输出电压，而使小型单元的串联/并联布线图形变化，使串联级数变化。

后一方法的例子如图6和图7所示。图6是使用多触点的滑动开关切换串联级数的电路的例子。滑动开关62位于虚线的位置时，小型单元61串联成3段的输出从输出端子63和64间输出。另一方面，滑动开关位于实线的位置时，小型单元串联为4段的输出从输出端子65和66间输出。

图7是采用晶体管的栅极电路的串联级数切换电路的例子。晶体管72-76是对控制端子72a-76a施加控制信号来控制导通和截止。

若仅使晶体管72导通，则在输出端子77和78间输出小型单元81的电动势。若仅使晶体管73和75导通的话，则输出端子77和78间输出串联小型单元81和82的电压。若使晶体管74、75和76导通，而截断晶体管72和73的话，则在输出端子77和78间输出将小型单元81、82和83串联的电压。

方式虽然不同，但是为使输出满足并联的关系而从公共的端子输出的点，和实施方式1和2相同，所以当然能够得到和如上所述一样的效果。

以上根据实施方式对本发明进行了说明，但是本发明不受这些例子的任何限制，只要在不脱离本发明的宗旨的范围内，可适当进行变化。

例如，还可以合用实施方式1或2和实施方式3。即，利用实施方式3的方式将小型单元进行多个串联，预先调整到近似于目标输出电压值的值，再将该输出作为实施方式1或2的电压调节电路的输入。

若利用该合用方式，从实施方式1或2的一侧看，由于输入调整为近似于目标的输出电压值的值的电压，所以具有电压调节电路的负担减小，电压调节而耗费的能量的损耗变小的优点。从实施方式3一侧看，由于最终的电压经电压调节电路调节为同一电压，所以不必严格使各层的电池矩阵的输出电压一致。由此，具有相当自由地选择串联级数和小型单元的分割数的优点。

本发明不仅适合于太阳能电池构成的电源装置，还可高效适用于由化学电池等各种电池构成的电源装置，例如，由铅蓄电池等构成的应急用的电源装置和由燃料电池构成的发电装置也有很好的效果。

无论在哪一种电池中，对电动势或每个电池的输出电流的限制到较小的程度，在实际使用中，大多数的电池都采用串联及/或并联。并且，会因制作条件、时效变化、充电状态或电池活性物质的供给速度等的工作条件等的不同，各电池的大多数和输出电流会都不同。这是因为如上所述，由电池构成的电源装置通常带有和由太阳能电池构成的电源装置公共的问题。

工业上利用的可能性

利用本发明，输出电压和输出电流不同的多个电池的输出，在调节为相互同一的输出电压后，满足并联的关系，从公共的端子输出。

由于多个电池的输出满足并联的关系而输出，所以不同于串联的情况，不会出现输出电流小的电池使整个电源的内阻增加，限制输出电流的问题。

另外，由于在调节为同一的输出电压后从公共的端子输出，所以不会出现将不同输出电压的输出并联时所产生的逆流等的问题。

应用于串联式太阳能电池的情况下，即使在夏季和冬季、白天和早晚等，太阳光的波长分布偏离标准的分布的情况下，也不会出现输出电流小的电池限制整个电源的输出电流，使光电能转换效率降低的问题。

由于不必将来自层叠的各串联式光电转换元件的输出电流调节为相互相同，所以对于各串联式光电转换元件，可分配光吸收波长特性，使能够最大效率利用太阳光。

Claims (6)

1.电源装置，其特征在于，具有输出特性不同的多个电池相互并行配置，将上述多个电池的各输出调节到相互同一的电压，而这些输出由公共的端子输出的构造。

2.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，上述多个电池分别通过电压调整电路相互并联。

3.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，从上述多个电池的各输出被暂时存储在电容器内，通过对这些各电容器可切换连接的电压调整电路分时输出上述各电容器的存储电荷，作为上述同一的电压。

4.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，上述多个电池分别被分割为多个，调整这些被分割的电池的串联级数和并联个数。

5.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，上述多个电池为光电转换元件。

6.根据权利要求5所述的电源装置，其特征在于，上述多个电池是在透光方向上层叠，并且相互具有不同的光吸收特性的光电转换元件。

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