JP2007248010A - コージェネレーションシステム及びその運転方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池と、燃料電池の動作に伴って発生する熱を回収する熱交換器と、熱交換器を循環して加熱された水を貯蔵する貯湯槽とを有し、貯湯槽から温水を外部に供給するコージェネレーションシステムにおいて、貯湯槽内を殺菌するためだけに用いられるヒータやボイラを不要とする。
【解決手段】貯湯槽22から外部に供給された温水の量を計測し、所定の期間内に貯湯槽22から外部に供給された温水の量が所定の値以下である場合に、温度制御弁27を制御して貯湯槽22からの温水の供給を停止させるとともに、貯湯槽22内の全体が所定の温度以上となるように燃料電池を稼動させ、その後、貯湯槽22からの温水の供給を再開する。
【選択図】図1

Description

本発明は、燃料電池を用いて発電するとともに、燃料電池から回収した熱を用いて給湯などを行うコージェネレーションシステムおよびその運転方法に関する。
近年、分散型電源としての燃料電池を系統電源(商用電源)と連系させて動作させるとともに、燃料電池の動作に伴って発生する廃熱を回収して給湯などを行うコージェネレーションシステムが注目を浴びている。このようなコージェネレーションを電力需要家宅に設置すれば、その需要家における電力需要の少なくとも一部を燃料電池からの電力で賄えるようになるとともに、その需要家における給湯や床暖房などに要する熱需要については燃料電池からの廃熱を利用できるようになるので、トータルとしての高いエネルギー効率を達成することができる。
図2は、従来のコージェネレーションシステムの構成を示すブロック図である。ここでは、燃料電池として、改質器と燃料電池スタックとを備え、炭化水素系の燃料(メタノール、エタノール、メタン、天然ガス、液化石油ガス(LPG)、ガソリン、灯油など)を改質器で改質して水素を生成し、この水素と空気中の酸素とから燃料電池スタックにおいて直流電力を発生する、炭化水素改質型燃料電池が用いられるものとしている。
コージェネレーションユニット10には、燃料を改質して水素を発生する改質器11と、改質器11で発生した水素と空気中の酸素から燃料電池反応により直流電力を発生させる燃料電池スタック12と、燃料電池を系統電源に連系させる機能を備え、燃料電池スタック12で発生した直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナ(PCS)13と、改質器11からの熱や燃料電池スタック12での燃料電池反応からの熱を回収する熱交換器14とが設けられている。燃料電池の改質器11や燃料電池スタック12が動作している場合には、改質器11における改質反応、燃料電池スタック12での燃料電池反応はいずれも発熱反応であるので、改質器11や燃料電池スタック12を所定の温度に維持するためには改質器11や燃料電池スタック12から熱を回収する必要があり、熱交換器14の一次側には、改質器11や燃料電池スタック12からの熱が供給されるようになっている。ここには図示していないが、燃料電池に対して燃料を供給するポンプや、燃料電池の起動時に改質器11や燃料電池スタック12を所定温度にまで加熱するヒータが、コージェネレーションユニット10内に設けられている。
需要家の宅内の負荷に接続する分電盤15は、系統電源に接続するとともにパワーコンディショナ13にも接続し、これにより、負荷には、系統電源からの交流電力とパワーコンディショナ13からの交流電力とが同一の配電線を介して供給されることになる。
熱交換器14で回収した熱を利用して給湯を行うために、給湯ユニット20が設けられている。給湯ユニット20は、コージェネレーションユニット10の熱交換器14の二次側に接続する熱回収配管21と、熱交換器14で回収した熱を温水の形態で蓄積する垂直方向に細長い形状の貯湯槽22と、貯湯槽22から得られる温水の温度が低い場合に加熱する給湯器23とを備えている。貯湯槽22では、一定温度の温水を常時供給できるようにするために、温度成層が形成されるようにして温水が蓄えられる。すなわち、熱交換器14の二次側に接続する熱回収配管21は、貯湯槽22の下端と上端とに接続し、貯湯槽22の下端から貯湯槽22内の水を熱交換器14に供給し、熱交換器14で加温された温水を貯湯槽22の上端に供給するように構成されている。このような貯湯槽22と熱交換器14との間での水(温水)の循環は、例えばポンプ等を用いて達成させられる。なお、改質器11における燃料の改質には水蒸気が必要であるが、この水蒸気は、熱回収配管21によって熱交換器14の二次側に供給された水の一部を改質器11に供給することによって発生させられる。貯湯槽22の下端には、給水管24によって上水が供給されるようになっている。そして貯湯槽22の上端には、貯湯槽22内の温水を外部に供給するための温水出口25が設けられている。
この構成では、貯湯槽22の上端において、熱交換器14からの例えば60℃程度の温水が貯湯槽22内に蓄えられ、また、貯湯槽22に蓄えられた温水が外部に供給される。図2において、貯湯槽内の高さ方向の各位置における温度がT1〜Tnで示されている。燃料電池から回収される熱により、熱回収配管21を介して貯湯槽22の上端に温水が供給されるので、貯湯槽22内では、上側が例えば60℃の温水、下側がほぼ上水の温度の低温水というように、温度成層が形成される。この場合、貯湯槽22内では対流が起こるわけではないので、貯湯槽22内で一様な温度勾配が形成されるわけではない。実際には、上端側からある深さのところまでは、ほぼ一定温度の温水であり、そこから急激に温度が下がって、すぐに低温水となり、そのまま貯湯槽22の下端までが低温水の領域となる。燃料電池が運転し続けてると、上端から貯湯槽22に温水が供給され続けるので、温水と低温水との境目が、貯湯槽22内で下端側に移動する。貯湯槽22から外部に温水を供給すると、その供給した分に相当する上水が貯湯槽22の下端から供給されるので、温水と低温水との境目が、貯湯槽22内で上端側に移動する。このようにしてこの給湯ユニット30では、燃料電池の廃熱を貯湯槽22内に蓄えることができるとともに、貯湯槽22内での温水と低温水との境目が上端側に達しない限り、ほぼ一定の温度の温水を外部に対して供給することができる。
温水出口25からの温水配管26は、給湯器23を介して、需要家の宅内の例えば、風呂、シャワー、洗面所、台所、厨房などに接続している。給湯器23は、温水配管26を流れる温水をボイラによって加熱する構成のものである。さらに、貯湯槽22内の温水の温度よりも低い温度の温水を需要家の宅内側で必要とする場合に備え、温水出口25と給湯器23との間の温水配管26には、上水が供給される温度調整弁(混合弁)27が設けられている。この温度調整弁27において貯湯槽22からの温水に上水を混合することによって、温水の温度を低下させて所望の温度することができるようになっている。
さらにこのコージェネレーションシステムでは、コージェネレーションユニット20(燃料電池)及び給湯器23に燃料を送るための燃料タンク40が設けられている。
ところで、上述したコージェネレーションシステムでは、貯湯槽22に温水が蓄えられたがあまり温水の利用がなかった場合に、タンク内で、レジオネラ菌などの雑菌が発生するおそれがあるとされている。温水の温度が50℃程度である場合に雑菌が繁殖しやすいとされている。そこで従来は、貯湯槽22内にヒータを設け、温水の使用量が少ない場合にはヒータを動作させて貯湯槽22内の温水の温度を例えば60℃以上に一定時間保ち、貯湯槽22内の温水を殺菌を行っていた。あるいは、ボイラを別途設け、ボイラによって貯湯槽22内の温水の温度を所定温度以上に一定時間保ち、殺菌を行っていた。コージェネレーションシステムにおける貯湯槽22内の温水の殺菌に関する先行技術文献としては、特開2003−56909号公報に示されたものがある。この公報記載の技術では、貯湯槽22内の温水の温度をヒータによって80℃以上とし、殺菌処理を行っている。
特開2003−263942号公報
しかしながら、上述した従来のコージェネレーションシステムでは、貯湯槽の殺菌のためだけに用いられるヒータやボイラを必要とし、その分、製造コストや運転コストが上昇するという問題点がある。
そこで本発明の目的は、貯湯槽の殺菌のためのみに用いられるヒータやボイラを不要とするコージェネレーションシステムと、そのようなコージェネレーションシステムの運転方法とを提供することにある。
本発明のコージェネレーションシステムは、燃料電池と、燃料電池の動作に伴って発生する熱を回収する熱交換器と、熱交換器を循環して加熱された水を貯蔵する貯湯槽とを有し、該貯湯槽から温水を外部に供給するコージェネレーションシステムであって、貯湯槽に接続して貯湯槽から外部に温水を供給する温水配管と、温水配管を流れる温水の量を測定する流量センサと、温水配管に設けられた弁と、の温度を測定する温度センサと、所定の期間内に貯湯槽から外部に供給された温水の量が所定の値以下である場合に、弁を閉じ、貯湯槽内の全体が所定の温度以上となるように燃料電池を稼動させ、その後、弁を開ける制御手段と、を有する。
本発明のコージェネレーションシステムにおいて、制御手段は、例えば、燃料電池から出力される直流電力を交流電力に変換するとともに燃料電池を制御して系統電源に連系させるパワーコンディショナと、流量センサ及び温度センサからの信号に応じてパワーコンディショナ及び弁を制御する制御装置と、からなる。また、このコージェネレーションシステムでは、貯湯槽内に温度成層が形成されるように、水が貯湯槽から熱交換器に向かう管路は貯湯槽の下部に接続し、水が熱交換器から貯湯槽に向かう管路は貯湯槽の上部に接続し、温度センサは、貯湯槽の上部に設けられた第1のセンサと貯湯槽の下部に設けられた第2のセンサとからなり、制御装置は、第1のセンサ及び第2のセンサが測定する温度がいずれの所定の温度以上となるまで、弁を閉じ続けるようにすることが好ましい。
また、貯湯槽の全体が温水で満たされたのちにコージェネレーションシステムの運転の継続を可能にするために、水が貯湯槽から熱交換器に向かう管路に、ラジエータを設けることが好ましい。
本発明のコージェネレーションシステムの運転方法は、燃料電池と、燃料電池の動作に伴って発生する熱を回収する熱交換器と、熱交換器を循環して加熱された水を貯蔵する貯湯槽とを有し、該貯湯槽から温水を外部に供給するコージェネレーションシステムの運転方法であって、貯湯槽から外部に供給された温水の量を計測し、所定の期間内に貯湯槽から外部に供給された温水の量が所定の値以下である場合に、貯湯槽からの温水の供給を停止させるとともに、貯湯槽内の全体が所定の温度以上となるように燃料電池を稼動させ、その後、貯湯槽からの温水の供給を再開することを特徴する。
本発明では、例えば長期間にわたって貯湯槽内の水がほとんど使用されなかったために貯湯槽内を殺菌する必要がある場合、貯湯槽内からの外部への温水の供給を一時停止するとともに、燃料電池を例えばその定格電力で動作させ、その際に発生する熱により、貯湯槽内の水の全体が所定の温度以上となるまで、貯湯槽内の水を温め、貯湯槽及び貯湯槽内の水を殺菌する。したがって、本発明によれば、貯湯槽の殺菌のためのみに用いられるヒータやボイラを不要とすることができ、コージェネレーションシステムのコストを低減することができる。
次に、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。図1は、本発明の実施の一形態のコージェネレーションシステムの構成を示している。
このコージェネレーションシステムは、図1に示したコージェネレーションシステムと同様のものであるが、貯湯槽22から熱交換器14に向かう熱回収配管21にラジエータ(放熱器)28が設けられるとともに、貯湯槽22の出湯量を検出する流量センサ51と、貯湯槽22内の温水の温度を測定する温度センサ52,53と、コージェネレーションシステムの制御を行う制御装置50を設けた点で、図2に示したものと異なっている。図2において、図1に示したものにおけるものと同一の構成要素には同一の参照符号が付与されており、これらについては、重複する説明は簡略化する。図1では制御装置50は、給湯ユニット20に取り付けられているが、給湯ユニット20とは別体のものとして設けてもよい。同様に、給湯器23も、貯湯槽22から離して設けるようにしてもよい。
コージェネレーションユニット10には、燃料を改質して水素を発生する改質器11と、改質器11で発生した水素と空気中の酸素から燃料電池反応により直流電力を発生させる燃料電池スタック12と、燃料電池を系統電源に連系させる機能を備え、燃料電池スタック12で発生した直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナ(PCS)13と、改質器11からの熱や燃料電池スタック12での燃料電池反応からの熱を回収する熱交換器14とが設けられている。図2に示したものと同様に、熱交換器14の一次側には、改質器11や燃料電池スタック12からの熱が供給されるようになっている。
需要家の宅内の負荷に接続する分電盤15は、系統電源に接続するとともにパワーコンディショナ13にも接続し、これにより、負荷には、系統電源からの交流電力とパワーコンディショナ13からの交流電力とが同一の配電線を介して供給されることになる。
パワーコンディショナ13は、燃料電池を系統電源に連系させる機能を有するが、燃料電池を系統電源に連系させる場合には、系統電源側での保安上の理由により、経済産業省資源エネルギー庁がまとめた「系統連系ガイドライン」に記載されているように、燃料電池側から系統電源側に逆潮流が起きてならず、特に系統電源の停電時には、パワーコンディショナ13から交流電力が出力されないようにする必要がある。そこでパワーコンディショナ13は、逆潮流の防止や停電時の出力停止のために、燃料電池の発電量を制御し、また、停電時などに燃料電池を停止させる機能を備えている。燃料電池の場合、出力電力を急激には変化できないので、逆潮流の防止のため、燃料電池を用いるコージェネレーションシステムでは、燃料電池で発生した余剰の電力を何らかの方法で消費する仕組みを設けておく必要がある。そこで、本実施形態では、コージェネレーションユニット10の熱交換器14に、ヒータ(不図示)が設けられており、燃料電池で発生する電力が需要家の宅内の負荷で消費される電力よりも多い場合には、差の部分の電力はこのヒータによって消費されるようになっている。このヒータで発生した熱は、燃料電池の改質器11や燃料電池スタック12で発生した熱とともに回収され、温水の形で貯湯槽22に蓄えられることになる。本実施形態では、パワーコンディショナ13は、制御装置50からの信号によって、燃料電池の出力を定格出力としたりすることができるように構成されている。
熱交換器14で回収した熱を利用して給湯を行うために、給湯ユニット20が設けられている。給湯ユニット20は、コージェネレーションユニット10の熱交換器14の二次側に接続する熱回収配管21と、熱交換器14で回収した熱を温水の形態で蓄積する垂直方向に細長い形状の貯湯槽22と、貯湯槽22から得られる温水の温度が低い場合に加熱する給湯器23とを備えている。貯湯槽22の内容量は、例えば200lである。貯湯槽22に低温水しか蓄えられていない場合にも、給湯器23を用いて貯湯槽22内の低温水あるいは上水を加熱することによって、所望の温度の温水が得られるようになっている。貯湯槽22では、一定温度の温水を常時供給できるようにするために、図2において説明した場合と同様にして、温度成層が形成されるようにして温水が蓄えられる。すなわち、熱交換器14の二次側に接続する熱回収配管21は、貯湯槽22の下端と上端とに接続し、貯湯槽22の下端から貯湯槽22内の水をラジエータ28を介して熱交換器14に供給し、熱交換器14で加温された温水を貯湯槽22の上端に供給するように構成されている。貯湯槽22内には温度成層が形成されていることから、貯湯槽22の全体が温水となっていない場合には、貯湯槽22の下端から熱交換器14に供給される水は、室温近辺であると考えられる低温水であり、ラジエータ28は実質的には放熱作用を示さない。なお、改質器11における燃料の改質には水蒸気が必要であるが、この水蒸気は、熱回収配管21によって熱交換器14の二次側に供給された水の一部を改質器11に供給することによって発生させられる。貯湯槽22の下端には、給水管24によって上水が供給されるようになっている。そして貯湯槽22の上端には、貯湯槽22内の温水を外部に供給するための温水出口25が設けられている。
温水出口25からの温水配管26は、給湯器23を介して、需要家の宅内の例えば、風呂、シャワー、洗面所、台所、厨房などに接続している。給湯器23は、温水配管26を流れる温水をボイラによって所望の加熱する構成のものである。さらに、貯湯槽22内の温水の温度よりも低い温度の温水を需要家の宅内側で必要とする場合に備え、温水出口25と給湯器23との間の温水配管26には、上水が供給される温度調整弁(混合弁)27が設けられている。この温度調整弁27において貯湯槽22からの温水に上水を混合することによって、温水の温度を低下させて所望の温度することができるようになっている。
流量センサ51は、温水配管26において、温水出口25と温度調整弁27との間に設けられている。温度センサ52は、貯湯槽22の上端部分の水の温度を測定し、温度センサ53は、貯湯槽22の下端部分の水の温度を測定するように、それぞれ貯湯槽22内に設けられている。
制御装置50は、貯湯槽22から温水出口25を介して外部に供給された温水の量のデータを流量センサ51から受け取り、所定の期間(例えば100時間)内に外部に供給した温水の量が所定値以下であるかに応じて貯湯槽22の殺菌を行うかどうかを判定し、殺菌を行うと判定した場合には貯湯槽殺菌モードに移行して燃料電池を定格出力で運転させ、そのときに熱交換器14で回収した熱で貯湯槽22内の全体を所定の殺菌温度(例えば60℃以上)まで昇温させ、これにより貯湯槽22の殺菌を行うように構成されている。
次に、本実施形態のコージェネレーションシステムの動作について説明する。
制御装置50は、常時、流量センサ51での流量測定値を受け取り、積算する。そして、制御装置50は、流量センサ51が所定の期間の間に計測した流量が所定の値以下である場合に、貯湯槽殺菌モードに移行する。具体的には、例えば貯湯槽22の容量が200lであれば、所定の期間(例えば100時間)の間に計測した流量が所定の値(例えば200l)以下である場合に、貯湯槽殺菌モードに移行するものとする。
貯湯槽殺菌モードでは、制御装置50は、温度調整弁27を制御して貯湯槽22から温水出口25を介して温水が流れ出さないようにし、パワーコンディショナ13に対しては燃料電池をその定格出力で運転するように指示し、その上で、温度センサ52,53での測定温度を監視する。燃料電池が定格出力で運転していることにより、改質器11や燃料電池スタック12で発生した熱が熱交換器14によって回収され、貯湯槽22では、その上端側から例えば60℃の温水が供給される。燃料電池は定格出力で運転しているが、需要家の宅内での電力消費が燃料電池の発生する電力よりも小さい場合には、逆潮流を防止するために、上述したように熱交換器14に組み込まれたヒータに燃料電池からの余剰の電力を供給しているが、このヒータに供給された電力による発熱も貯湯槽22の温度上昇に寄与するので、結果として、短時間で殺菌が行えることになる。このとき、温水出口25から水は出て行かないので、貯湯槽22内での温水と低温水との境界となる位置は、貯湯槽22の上端側から下端側に急速に移動し、最後は、貯湯槽22内は例えば60℃以上の温水で満たされることになる。貯湯槽22内の全体が殺菌温度(例えば60℃)となることにより、貯湯槽22の殺菌が行われることになる。制御装置50は、そして両方の温度センサ52,53の温度が所定温度(例えば60℃)以上となったら、貯湯槽22の全体が殺菌温度に到達したものと判断して、貯湯槽殺菌モードから通常の運転モードに復帰し、温度調整弁27を元の状態に戻して温水出口25からの温水が流れ出るようにし、パワーコンディショナ13も通常の運転に戻す。ここでは殺菌温度として60℃を用いているが、熱交換器14での熱の回収温度に応じて、例えば、70℃を殺菌温度として用いてもよい。
本実施形態において、貯湯槽22の全体に60℃の温水が蓄えられているとすると、熱交換器14の二次側に供給される水の温度(入口温度)も60℃ということになり、熱交換器14の二次側の入口温度が高くなりすぎ、熱交換器14で燃料電池から熱をうまく回収できなくなり、改質器11や燃料電池スタック12の温度が高くなりすぎることなる。すなわち、コージェネレーションユニット10の運転が不可能となる。本実施形態では、ラジエータ28を設けたことにより、貯湯槽22の下端の位置でも水温が60℃となっていも、そのような60℃の温水はラジエータ28を通過する際に冷却されるので、コージェネレーションユニット10の運転に特に支障は生じない。また、ラジエータ28を設けたとしても、貯湯槽22の下端には低温水がある状態では、ラジエータ28からの放熱はないので、そのような状態での熱効率の低下が起こることもない。
以上説明したコージェネレーションシステムにおいて、利用者がコージェネレーションシステムの操作を行う場合にいわゆるリモコン(リモートコントローラ)の表示画面上に、現在、貯湯槽殺菌モードであることを表示できるようにしてもよい。また、単一の温度制御弁27を設ける代わりに、給水管24と給湯器23との間に配置される弁と、温水配管26と給湯器23との間に配置される弁とを設けてもよい。この場合、制御装置50は、温水配管26と給湯器23との間に配置される弁の開閉を制御する。
本発明の実施の一形態のコージェネレーションシステムを示す図である。 従来のコージェネレーションシステムの一例を示す図である。
符号の説明
10 コージェネレーションユニット
11 改質器
12 燃料電池スタック
13 パワーコンディショナ
14 熱交換器
15 分電盤
20 給湯ユニット
21 熱回収配管
22 貯湯槽
23 給湯器
24 給水管
25 温水出口
26 温水配管
27 温度調整弁
28 ラジエータ
40 燃料タンク
50 制御装置
51 流量センサ
52,53 温度センサ

Claims (7)

  1. 燃料電池と、前記燃料電池の動作に伴って発生する熱を回収する熱交換器と、前記熱交換器を循環して加熱された水を貯蔵する貯湯槽とを有し、該貯湯槽から温水を外部に供給するコージェネレーションシステムであって、
    前記貯湯槽に接続して前記貯湯槽から前記外部に温水を供給する温水配管と、
    前記温水配管を流れる温水の量を測定する流量センサと、
    前記温水配管に設けられた弁と、
    前記貯湯槽内の温度を測定する温度センサと、
    所定の期間内に前記貯湯槽から前記外部に供給された温水の量が所定の値以下である場合に、前記弁を閉じ、前記貯湯槽内の全体が所定の温度以上となるように前記燃料電池を稼動させ、その後、前記弁を開ける制御手段と、
    を有する、コージェネレーションシステム。
  2. 前記制御手段は、前記燃料電池から出力される直流電力を交流電力に変換するとともに前記燃料電池を制御して系統電源に連系させるパワーコンディショナと、前記流量センサ及び前記温度センサからの信号に応じて前記パワーコンディショナ及び前記弁を制御する制御装置と、からなる、請求項1に記載のコージェネレーションシステム。
  3. 前記貯湯槽内に温度成層が形成されるように、前記水が前記貯湯槽から前記熱交換器に向かう管路は前記貯湯槽の下部に接続し、前記水が前記熱交換器から前記貯湯槽に向かう管路は前記貯湯槽の上部に接続し、
    前記温度センサは、前記貯湯槽の上部に設けられた第1のセンサと前記貯湯槽の下部に設けられた第2のセンサとからなり、
    前記制御装置は、前記第1のセンサ及び前記第2のセンサが測定する温度がいずれの前記所定の温度以上となるまで、前記弁を閉じ続ける、請求項2に記載のコージェネレーションシステム。
  4. 前記水が前記貯湯槽から前記熱交換器に向かう管路に設けられたラジエータをさらに有する請求項1乃至3のいずれか1項に記載のコージェネレーションシステム。
  5. 燃料電池と、前記燃料電池の動作に伴って発生する熱を回収する熱交換器と、前記熱交換器を循環して加熱された水を貯蔵する貯湯槽とを有し、該貯湯槽から温水を外部に供給するコージェネレーションシステムの運転方法であって、
    前記貯湯槽から前記外部に供給された温水の量を計測し、
    所定の期間内に前記貯湯槽から前記外部に供給された温水の量が所定の値以下である場合に、前記貯湯槽からの温水の供給を停止させるとともに、前記貯湯槽内の全体が所定の温度以上となるように前記燃料電池を稼動させ、その後、前記貯湯槽からの温水の供給を再開する、
    コージェネレーションシステムの運転方法。
  6. 前記燃料電池は、系統電源に連系されて運転される、請求項5に記載のコージェネレーションシステムの運転方法。
  7. 前記貯湯槽内に温度成層が形成されるように、前記熱交換器からの水は前記貯湯槽の上部に供給され、前記熱交換器への水は前記貯湯槽の下部から供給され、
    前記貯湯槽の下部の温度が前記所定の温度以上となるまで、前記貯湯槽からの温水の供給を停止させる、請求項5または6に記載のコージェネレーションシステムの運転方法。
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