JP2011007187A - 風力タービンのヨーイングを制御するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】風力タービンのヨーイングを制御する装置および方法を改善する。
【解決手段】風力タービンがナセルとハブを有しており、ナセルは調整可能なヨー角で第１軸回りに回転し、ハブはナセルに接続されており、回転軸回りに回転でき、進入風によって第１軸回りに回転させられる少なくとも１つの回転翼を備えており、回転翼が回転軸に垂直なロータ面を画定し、風力タービンは開口部を備えたチャネルを有しており、開口部はロータ面から所定の距離に位置しており、進入風の少なくとも１つの成分を空気流として開口部を通ってチャネル内へと案内し、チャネルは空気流がチャネルを通るときに空気流のパラメータを測定する測定装置を有しており、測定装置は空気流の測定されたパラメータを用いて進入風の方向と回転軸との間のヨー角誤差を検出するコントローラに接続されており、ヨー角誤差がナセルの調整に使用される。
【選択図】図４

Description

本発明は風力タービンのヨーイングを制御するための装置および方法に関する。

風力タービンでは、ある一定のヨー角でナセルと回転翼とを回転させることによって回転翼に対して最適な風向を達成するために、ヨーイング過程が用いられる。回転翼は回転翼によって画定される回転面に垂直な水平回転軸回りに回転する。

水平回転軸と実際の風向との間には、いわゆる「ヨー角誤差」と呼ばれる角度が存在する。

風力タービンの最大能力を達成するためには、回転翼の回転軸は風向に平行でなければならない。この場合、軸が風向に平行なので、ヨー角誤差は０°の値を示す。

回転翼の回転軸はチルト角も示す。これは回転翼が高い風速でタワーに接触するのを防ぐために用いられる。したがって、回転翼の回転軸は実際には平行な向きから僅かにずれている。しかし、この効果は以下の考察においては無視する。

ヨーイング過程の間、風力タービンのナセルは回転翼の回転軸が（垂直チルト角があるかも知れないが、それは除いて）風向に平行になるまで垂直ヨー軸回りに回転する。通常、ヨー軸は風力タービンのタワーの垂直軸と一致する。

ヨーイング過程は通常は電気的または液圧的手段を用いて行われる。いわゆる「ヨー駆動装置制御」は風向の測定を用いる。この測定は、通常は風力タービンのナセルの上部に配置されている１つまたは複数のセンサによって行われる。

風向センサがナセルに配置されており、回転翼がタワーの風上方向に配置されていると、センサは自由に露出されない。したがって、センサは回転翼によって生じる擾乱なしには風向を測定できない。

それどころか、風が回転翼を通り抜けることによって歪められてしまう可能性がある。また、風が通り抜ける間、ナセル自体の周りに加速現象が生じることもありうる。普通、このような歪みは風速、乱流、風向および風の垂直傾斜に依存する。

そのため、回転翼の回転軸とヨーイング過程中の風向との一致には不確実性がつきまとう。

低風速および中風速では、タービンの電力出力は適正なヨーアラインメントに敏感である。一般に、風力タービンでは、ヨーアラインメントと電力出力との関係は単純なコサイン関数ではなく、コサイン２乗関数であると考えられている。この高い感度の理由は風力タービンのダウンウィンドウェーク挙動に関係している。

コサイン２乗の関係が有効ならば、５°のヨー角誤差はｃｏｓ²（５°）＝０．９９の電力出力に相当する。これは出力電力の１％が失われることを意味する。このような損失は取るに足らないと思われるかも知れないが、大規模な風力タービンでは、容易に年間１００，０００ｋＷｈを超す損失となる。

さらに、ヨー角誤差は風力タービンの構造に及ぼされる動的荷重を大きくしてしまう。これは不所望な現象である。タービンの疲労荷重の大部分はヨー角誤差に関係している。

今まで、適正なヨーアラインメントの問題はナセルに取り付けられた風向センサの適正な較正によって解決されてきた。ヨーアラインメントは、型式試験の間に、ヨー方向と風向との比較によって測定される。この測定は自立式の風況観測ポールで行われる。どのようなオフセットも風向センサの取付けブラケットの永久調整によって調整することができる。また、風速へのどのような依存も、ヨー駆動ユニットコントローラにおいて適切な補正アルゴリズムを実施することにより調整することができる。

しかし、この従来のアプローチではいくつかの問題が生じる。まず、従来の方法は使用するベースライン測定における許容誤差に敏感である。ベースライン測定は、自立式の風況観測ポールに取り付けられた風向測定に使用される計器の較正に敏感である。

ベースライン測定はテストタービンで測定されるヨー方向の較正に敏感であり、さらにまたナセルに取り付けられた風向センサのためのテストタービンブラケットの精度にも敏感である。

さらに、ヨーイングの精度はつねにフィールド内の個々の風力タービンへのセンサの取付け精度に依存する。

さらに、フィールド内の空気流の歪みはテストタービン内の空気流の歪みとは異なっていることもありうる。このような状態は例えばナセル装備の違いから生じる。この違いがナセルでの加速特性に影響を及ぼし、周囲空気流条件に影響を及ぼすことがある。

一般に、ナセル装備の違いは航空警告灯のせいで生じる。周囲空気流条件の違いとは、例を挙げれば、例えばタービン所在位置の地形特徴に因る乱流または空気流傾斜である。

本発明の課題は風力タービンのヨーイングを制御する装置および方法を改善することである。

上記課題は、風力タービンのヨーイングを制御する装置において、風力タービンはナセルとハブを有しており、前記ナセルは調整可能なヨー角で第１軸回りに回転できるように取り付けられており、前記ハブは前記ナセルに接続されており、前記ハブは回転軸回りに回転できるように取り付けられており、前記ハブは進入風によって前記第１軸回りに回転させられる少なくとも１つの回転翼を備えており、前記回転翼によって前記回転軸に垂直なロータ面が画定され、前記風力タービンは少なくとも１つの開口部を備えたチャネルを有しており、前記開口部は前記ロータ面から所定の距離に位置しており、前記進入風の少なくとも１つの成分が空気流として該開口部を通って前記チャネル内へと案内されるように配置されており、前記チャネルは前記空気流が前記チャネルを通るときに前記空気流のパラメータを測定する測定装置を有しており、前記測定装置は前記空気流の測定されたパラメータを用いて前記進入風の方向と前記回転軸との間のヨー角誤差を検出するコントローラに接続されており、前記ヨー角誤差が前記ナセルの調整に使用されるようにすることにより解決される。

同様に、上記課題は、風力タービンのヨーイングを制御する方法において、前記風力タービンのナセルは調整可能なヨー角で第１軸回りに回転させることができ、前記ナセルに接続された、前記風力タービンのハブを回転軸回りに回転させ、前記ハブに接続された少なくとも１つの翼を進入風によって前記回転軸回りに回転させ、前記回転翼が前記回転軸に垂直なロータ面を画定し、前記進入風の少なくとも１つの成分を空気流として少なくとも１つの開口部を通って前記風力タービンのチャネル内へと案内し、前記空気流が前記チャネルを通る間に前記空気流のパラメータを測定し、前記空気流の測定したパラメータを用いて、前記進入風の方向と前記回転軸との間のヨー角誤差を検出し、検出したヨー角誤差に従って前記ナセルのヨー角を調整することにより解決される。

ヨー角誤差と進入風の方向と風力タービンに対する進入風の水平成分の方向との間の関係を図式的に示す。 ヨー角誤差が最小値を示しているときの本発明による風力タービンを示す。 図２に関連して、チャネルを通る風の測定された水平成分を経時的に示す。 ヨー角誤差がある値を示しているときの本発明による風力タービンを示す。 図４に関連して、チャネルを通る風の測定された水平成分を経時的に示す。

本発明によれば、風力タービンはナセルとハブを有する。ナセルは調整可能なヨー角で第１軸回りに回転できるように取り付けられている。ハブはナセルに接続されており、回転軸回りに回転できるように取り付けられている。

好適な実施形態では、回転軸は第１軸に対してある角度で傾斜しており、この傾斜は９０°の範囲内である。

ハブは入ってくる風によって回転軸回りに回転する少なくとも１つの翼を備えている。この回転翼が回転軸に垂直なロータ面を画定する。風力タービンは少なくとも１つの開口部を備えたチャネルを有しており、開口部はロータ面から所定の距離に位置している。

開口部は進入風の少なくとも１つの成分が空気流として開口部を通ってチャネル内へと案内されるように配置されている。

チャネルはチャネルを通る空気流のパラメータを測定する測定装置を有している。この測定装置は空気流の測定されたパラメータを用いて進入風の方向と回転軸との間のヨー角誤差を検出するコントローラに接続されており、ヨー角誤差はナセルの調整に使用される。

好適な実施形態では、進入風はロータ面を通過する前に、空気流として開口部を通り、チャネル内へと案内される。

周囲の進入風は、進入風の方向と回転翼の回転軸とが互いに平行でなければ、ロータ面内に水平成分を有する。これがヨー角誤差の生じるケースである。ヨー角を変化させるためには、この水平成分をチャネル内で測定しなければならない。

進入風の水平成分または進入風の少なくとも一部は、ヨー角誤差が存在する場合には、チャネルの開口部を通って周期的にチャネルに入る。これがチャネル内に周期的な空気流をもたらし、この空気流が本発明に従って測定される。

その結果、ヨー角誤差に依存する空気流の周期的な変化が測定され、これがヨー制御に用いられる。

回転軸の調整が行われるべきヨーイングの方向は通時的な周期的変化を低減できる方向である。この方向はロータ面のアジマスに対する変化の位相から求められる。周囲進入風の方向と回転軸とが互いに平行でなければ、ロータの回転周期中のチャネル内の空気流の周期的変化は通時的に見た最小値まで低減するか、"０"まで低減さえする。

つまり、回転軸は測定値の周期的変化が最小値に達するまで、あるいは消滅するまで、ヨー角のおかげで回転する。ナセルは周期的変化が再び増大するまでこの位置に保持しておいてよい。

変化に増大があれば、ロータ面またはナセルは変化が最小になるまでまたは消滅するまで再び回転する。

風力タービンのヨーイングは有利には測定装置から供給されるロータの回転周期中の測定値の周期的変化に基づいて行われる。

本発明による構成はヨー制御のための非常に簡単かつ精確な方法を提供する。

本発明による方法は空気流の歪みに対して不感であり、ヨー角誤差が問題となる場所で、つまり、ロータ面の領域でヨー角誤差を測定する。

本発明によるヨー制御の方法の利点は、エネルギー出力を最大化するとともに、風力タービン構造への動的荷重を最小にするという点にある。そのため、風力タービン部品の寿命が延びる。

好適な実施形態では、チャネルの長手軸が実質的にロータ翼の長手軸と平行になるように、チャネルはロータ軸から半径方向外側へと広がっている。

このようにしてチャネルはロータ翼に配置することができる。チャネルの開口部はロータ軸から特定の距離に位置している。

このようにして、タービンのヨーイングをロータ軸から所定の距離にあるロータ面での測定値に基づいて制御することが可能である。チャネルをロータ翼の一体的部分とすることは本発明の範囲内にある。

本発明の１つの好適な実施形態では、測定装置はチャネル内の空気流および／または空気速度を測定する。

本発明の１つの好適な実施形態では、空気流は超音波トランスジューサによって測定される。

チャネル内の空気流および／または空気速度はロータの回転周期中に変化するので、これらの変化をロータの位置と比較することによって、ヨー角誤差を低減するためにどの方向に風力タービンを偏揺れさせるべきかを決定することが可能である。

このように、チャネル内の空気流または空気速度の時間的に変化する測定値を用いてヨー角誤差を推定し、風力タービンのナセルのヨーイングを制御することも可能である。

１つの好適な実施形態では、チャネルはハブ内に配置されており、ハブ内で開口部が互いに向き合うような形でハブ内を通る。開口部は実質的にロータ軸に対して垂直に配置される。このようにしてロータの前で測定が行われる。つまり、測定は回転翼からの擾乱がまったくないか、最小限の擾乱しかない状態で行われる。

これは冒頭に記した先行技術によるシステムに比べると大きな改善である。というのも、ロータの回転翼からの影響および擾乱なしに風向が測定されるからである。

さらに、測定装置はチャネル内で風下側に配置され、天候の直接的な衝撃から保護される。これはナセルの上部に配置されているために風、太陽、雨および雪の直接のターゲットとなる風速計および風向計に比べると大きな改善である。本発明のおかげで、チャネルとその開口部の直径または断面積は、チャネル内に塩、埃または雪が堆積するのを防ぐのに十分な大きさ（例えば４０ｍｍの範囲内）に選ぶことが可能である。

チャネルの開口部および内部への氷の堆積も断面積を適切に選ぶことによって防がれる。

別の実施形態では、測定装置の一部として、空気が通過したときに回転するプロペラまたは羽根車が使用される。このプロペラの回転軸はチャネルの長手軸に垂直である。ヨー角誤差がある場合には、チャネル内の空気流が羽根車をある方向に回転させる。プロペラはロータの回転によって交互に回転する。

さらに別の実施形態では、測定装置はチャネル内の空気圧の周期的な差を測定する。こうすることで、ナセルのヨー制御のために、回転翼が回転している間のチャネル内の空気圧の変化を用いてヨー角誤差が推定される。

本発明によれば、チャネル内の空気流の方向を検出するために測定装置が設けられる。これはチャネル内に配置されたバルブによって実現することができる。バルブの位置を読み取るためにエンコーダが使用される。バルブはチャネル内の空気流によって周期的に開閉される。

これにより、チャネル内の空気流の方向をバルブの位置を読み取ることで検出し、その後、その測定値をロータの位置と比較することによってヨー角誤差を求めることが可能である。

１つの好適な実施形態では、ロータ面に対する周囲進入風の方向を推定するために、空気流の方向が回転翼の位置と比較される。

こうすることで、チャネル内の空気流の方向の検出を利用して、風力タービンの回転翼のヨーイング、さらにはピッチ角も制御することが可能になる。

１つの好適な実施形態では、バルブの過度の開閉を防ぐために、バルブの機械的抵抗を変化させる。このようにして風力タービンの過度の制御動作が防止される。

１つの好適な実施形態では、チャネルの開口部はロータ面に対して垂直でない風成分を捕捉するためにロータ面に対して０°〜９０°だけ傾いている。

例えば、チャネルはロータの側方から来る風を捕捉するために端部が少し曲げられている。こうすることで、ヨー角誤差がある場合には、開口部が測定値の周期的変化を増大させる。

空気流は、開口部が風に向かうロータ位置では、増大し、開口部が風から離れた位置にある反対の位置では、減少する。同じ量の風がロータ位置には関係なくチャネルに入るということから、ロータの回転周期中のロータ面における風速成分の周期的変化は周囲進入風の方向と回転軸とが互いに実質的に平行である場合に最小となるか、または消滅する。

しかし、ヨー角誤差がある場合には、測定値はロータの回転のせいで交替する。本発明の１つの実施形態では、測定装置からの時間的に変化する測定値が積分などによって時間的に評価される。

これにより、ヨー角誤差を求めること、および／または、測定値のオフセット、振幅、二乗平均平方根値などによって風力タービンのヨーイングを制御することが可能になる。

例えば、積分値はロータ面が実質的に周囲風向に対して垂直なときにはおおよそ"０"である。この値はナセルのヨーイングを変える必要がないことを示している。

本発明による装置は構造が非常に単純なので、厳しい環境条件のもとでも正確な測定が可能である。

改善形態では、風力タービンの各翼が１つのチャネルに割り当てられている。したがって、３つの翼には３つのチャネルが使用され、各チャネルは内部の風向の測定に使用される。

図１には、ヨー角誤差ａと進入風ＩＷの方向と風力タービンＷＴに対する進入風の水平成分ＨＣＩＷの方向との間の関係が上面図で図示的に示されている。ここで、風力タービンＷＴはナセルＮＡ、ハブＨＢおよび翼付きロータＲを有している。ナセルＮＡはタワーＴの垂直軸であるいわゆる第１軸ＦＡを中心軸としてあるヨー角で回転させることができる。ロータの回転翼はロータ面ＲＰを画定する。

ヨー角誤差ａが生じると、進入風ＩＷはロータＲの回転軸ＲＡに平行でなくなる。これにより出力電力の損失が生じ、風力タービン部品にかかる風荷重が大きくなる。

ヨー角誤差ａは進入風ＩＷの方向に対して回転軸ＲＡを回転させることによって低減される。

図２には、ヨー角誤差ａが最小値"０"を示しているときの本発明による風力タービンＷＴが示されている。ヨー角誤差ａが最小値"０"を示すということは、図１を参照すると、ロータＲの回転軸ＲＡが進入風ＩＷの方向と一致しているということを意味する。

風力タービンＷＴのナセルＮＡはハブＨと接続されており、ハブＨは回転軸ＲＡを中心軸として回転できるように取り付けられており、図示されていない３つの翼を備えている。

ナセルＮＡはタワーＴの上部に回転可能に取り付けられているので、タワーの軸ＦＡを中心軸としてあるヨー角で回転することができる。

ハブＨはチャネルＣＨによって飽和している。チャネルＣＨはチャネルＣＨを通る空気流の方向の測定に使用される測定装置ＭＤを含んでいる。空気流は成分ＨＣＩＷから生じる。なお、成分ＨＣＩＷはチャネルＣＨの開口部によって進入風から捕捉される。

図示されているように、ヨー角誤差ａはほぼ"０"であるから、チャネルＣＨによって捕捉された水平成分もほぼ"０"に等しい。

風力タービンＷＴは、図３に示されているようにチャネルＣＨ内の空気流の測定された方向を時間積分する計算ユニットＣＵを有している。

計算ユニットＣＵは、積分値を用いてナセルＮＡのヨー角を制御および調整する制御ユニットＣｏｎｔＵに接続されている。

図３には、図２に関連して、チャネルＣＨの中の空気流の測定された水平成分ＨＣＩＷが示されている。

この場合、チャネルＣＨの中の空気流の方向は第１の方向と第２の方向との間で交替する。この交替はだいたい一定に生じ、入れ替わる方向はほぼ一定の振幅を示す。

測定された成分ＨＣＩＷの時間に依存した形状を時間積分すると、結果はほぼ"０"の値となる。それゆえ、ヨー角誤差ａも値"０"に等しい。

図４には、ヨー角誤差ａがある値を示しているときの本発明による風力タービンＷＴが示されている。このケースでは、角度はロータ面に対しておよそ４５°である。

したがって、ロータＲの回転軸ＲＡは進入風ＩＷの方向と一致していない。

ハブＨを飽和させているチャネルが進入風ＩＷの水平成分ＨＣＩＷを捕捉する。したがって、成分ＨＣＩＷは本発明に従って測定されるチャネル内の空気流から得られる。

図５には、図４に関連して、チャネルＣＨ内の空気流の測定された水平成分ＨＣＩＷが示されている。

このケースでは、チャネルＣＨ内の空気流の方向は第１の方向と第２の方向との間で交替する。この交替はだいたい一定に生じ、入れ替わる方向はほぼ一定の振幅を示す。

測定された成分ＨＣＩＷの時間に依存した形状を時間積分すると、"０"よりも大きな値が得られる。したがって、ナセルのヨー角を調整しなければならない。

ＣＨ チャネル
ＣｏｎｔＵ 制御ユニット
ＣＵ 計算ユニット
ＦＡ 第１軸
Ｈ ハブ
ＨＢ ハブ
ＨＣＩＷ 進入風の水平成分
ＩＷ 進入風
ＭＤ 測定装置
ＮＡ ナセル
ＲＡ 回転軸
ＲＰ ロータ面
Ｔ タワー
ＷＴ 風力タービン

Claims (17)

1. 風力タービンのヨーイングを制御する装置において、
   前記風力タービンはナセルとハブを有しており、
   前記ナセルは調整可能なヨー角で第１軸回りに回転できるように取り付けられており、
   前記ハブは前記ナセルに接続されており、前記ハブは回転軸回りに回転できるように取り付けられており、
   前記ハブは進入風によって前記第１軸回りに回転させられる少なくとも１つの回転翼を備えており、前記回転翼によって前記回転軸に垂直なロータ面が画定され、
   前記風力タービンは少なくとも１つの開口部を備えたチャネルを有しており、前記開口部は前記ロータ面から所定の距離に位置しており、前記進入風の少なくとも１つの成分が空気流として該開口部を通って前記チャネル内へと案内されるように配置されており、
   前記チャネルは前記空気流が前記チャネルを通るときに前記空気流のパラメータを測定する測定装置を有しており、
   前記測定装置は前記空気流の測定されたパラメータを用いて前記進入風の方向と前記回転軸との間のヨー角誤差を検出するコントローラに接続されており、前記ヨー角誤差が前記ナセルの調整に使用されることを特徴とする、風力タービンのヨーイングを制御する装置。
2. 前記チャネルの少なくとも一部が前記回転軸から半径方向外側に向かって広がっており、
   前記チャネルの長手軸が実質的に前記回転翼の長手軸に平行である、請求項１記載の装置。
3. 前記測定装置は、前記チャネル内の空気流の方向および／または速度をパラメータとして測定する、および／または、前記空気流から生じる前記チャネル内の空気圧差をパラメータとして測定する、請求項１または２記載の装置。
4. 前記測定装置は前記空気流のパラメータを測定する超音波トランスジューサを有している、請求項１から３のいずれか１項記載の装置。
5. 前記測定装置は、前記空気流が通過したときに回転によって前記空気流のパラメータを測定するプロペラまたは羽根車を有している、請求項１から３のいずれか１項記載の装置。
6. 前記測定装置はバルブを有しており、該バルブは少なくとも２つの位置をとり、
   前記バルブの位置がエンコーダによって読み取られ、前記チャネル内の空気流の方向が検出される、請求項１から３のいずれか１項記載の装置。
7. 前記チャネルの開口部は前記ロータ面に対して垂直でない前記進入風の成分を捕捉するために前記ロータ面に対して傾いている、請求項１から６のいずれか１項記載の装置。
8. 前記チャネルは前記ハブを通っており、および／または
   前記チャネルは前記ハブの両側に前記回転軸または前記ロータ面からの所定の距離を以て開口部を有している、請求項１から７のいずれか１項記載の装置。
9. 前記風力タービンは、前記回転翼の位置を前記測定装置からの測定値と比較し、前記ヨー角誤差を推定する計算ユニットを有している、請求項１から８のいずれか１項記載の装置。
10. 前記風力タービンは、前記測定値を通時的に分析して前記ヨー角誤差を求める計算ユニットを有しており、該計算ユニットは、前記測定値の分析を用いて前記ナセルのヨーイングを制御する制御ユニットに接続されている、請求項１から８のいずれか１項記載の装置。
11. 前記チャネルと前記開口部の断面積は、前記チャネルと前記開口部への塩、埃、または氷の堆積が防止されるように選ばれている、請求項１から１０のいずれか１項記載の装置。
12. 前記チャネルの前記少なくとも１つの開口部は前記ロータ面から所定の距離に位置しており、該開口部は前記進入風の少なくとも１つの成分が空気流として該開口部を通って前記チャネル内へと案内されるように配置されている、請求項１から１１のいずれか１項記載の装置。
13. 風力タービンのヨーイングを制御する方法において、
    前記風力タービンのナセルは調整可能なヨー角で第１軸回りに回転させることができ、
    前記ナセルに接続された、前記風力タービンのハブを回転軸回りに回転させ、
    前記ハブに接続された少なくとも１つの翼を進入風によって前記回転軸回りに回転させ、
    前記回転翼が前記回転軸に垂直なロータ面を画定し、
    前記進入風の少なくとも１つの成分を空気流として少なくとも１つの開口部を通って前記風力タービンのチャネル内へと案内し、
    前記空気流が前記チャネルを通る間に前記空気流のパラメータを測定し、
    前記空気流の測定したパラメータを用いて、前記進入風の方向と前記回転軸との間のヨー角誤差を検出し、
    検出したヨー角誤差に従って前記ナセルのヨー角を調整することを特徴とする、風力タービンのヨーイングを制御する方法。
14. 前記チャネル内で、
    前記空気流の方向を検出し、および／または
    前記空気流の速度を測定し、および／または
    前記空気流から生じる空気圧力差を測定し、
    測定値を前記空気流のパラメータとして用いる、請求項１３記載の方法。
15. 前記風力タービンの計算ユニットにおいて、前記回転翼の位置と前記測定されたパラメータを比較し、ヨー角誤差を推定する、請求項１３または１４記載の方法。
16. 前記測定されたパラメータを時間積分し、前記ヨー角誤差を求める、請求項１３記載の方法。
17. 前記進入風が前記ロータ面を通過する前に、前記進入風の前記少なくとも１つの成分を空気流として前記少なくとも１つの開口部を通って前記風力タービンの前記チャネル内へと案内する、請求項１３記載の方法。

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