JP2020084813A - 浮体式洋上風力発電システム - Google Patents
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Abstract
【課題】設備導入のコストを抑えつつ、1本の繋留体で浮体を海底に固定したものであっても、風力発電装置全体が回転するのを防止し、安定して効率良い発電が可能なこと。【解決手段】本発明の浮体式洋上風力発電システムは、上記課題を解決するために、発電機の支柱となるタワーと、該タワー上に回転可能に設けられ、前記発電機を内蔵するナセルと、該ナセルの一端に回転可能に設けられ、風を受けて回転エネルギーへ変換するハブ及び複数のブレードからなるロータとを備え、前記タワーは洋上に浮かんだ浮体上に設置され、前記浮体は1本の繋留体により海底に固定されている浮体式洋上風力発電システムであって、前記浮体と前記海底との間の前記繋留体の少なくとも1カ所に、海流を受けて抗力を発生する形状を有する繋留安定体を備えていることを特徴とする。【選択図】図1
Description
本発明は浮体式洋上風力発電システムに係り、特に、洋上に設置された風力発電装置が、繋留体により海底に固定されているものに好適な浮体式洋上風力発電システムに関する。
再生可能エネルギーの世界的な需要と経済性の観点から、洋上風力発電の重要性が増し、その中でも深い海底を有する海域でも設置可能な浮体式洋上風力発電システムの実用化が重要になってきている。
従来の浮体式洋上風力発電システムにおいては、発電機の支柱となるタワーが設置されている洋上に浮かぶ浮体は、そのピッチ振動(風方向振動)、ロール振動(風直角振動)、ヨー振動(回転振動)を抑制するために、3本以上の繋留体で海底に固定されている。
即ち、上記浮体は、円筒形状を成しており、海面に発生する波浪や海流の影響により不安定になりやすく、浮体が洋上で不安定になると、その上に設置されている風力発電装置も不安定な状態となり、ロータに効率良く風を受けることができなくなり、発電効率が低下してしまう。
そこで、浮体を可能な限り安定させるため、浮体の下端と海底に設置したコンクリート等の固定体を、強固なロープやチェーン等からなる3本以上の繋留体により連結している。
なお、従来の浮体式洋上風力発電システムでは、3本以上の繋留体を海底に別々に設置した複数の固定体とそれぞれ連結しているが、この3本以上の繋留体と各々の固定体とを結ぶ各繋留体は、同程度の張力となるように設置されている。3本以上の繋留体を同程度の張力で設置することにより、浮体及びその上に設置される風力発電装置の安定性を確保している。
しかしながら、3本の繋留体を同程度の張力で繋留する海洋工事は調整を必要とし、浮体式洋上風力発電システムの経済性を低下させ、そのコストは非常に高額なものとなるため、1本の繋留体で浮体を海底の固定体に固定する浮体式洋上風力発電システムが渇望されている。
この1本の繋留体で浮体を海底の固定体に固定する浮体式洋上風力発電システムとしては、例えば、特許文献1のような技術がある。
この特許文献1には、発電機の支柱となるタワーと、このタワー上に回転可能に設けられ、発電機を内蔵するナセルと、このナセルの一端に回転可能に設けられ、風を受けて回転エネルギーへ変換するハブ及び複数のブレードからなるロータとを備え、タワーは、洋上に浮かぶ浮体上に設置され、この浮体は、該浮体及び当該浮体上に設置される風力発電装置全体の重心よりも上部側において、1本の繋留体により海底に固定されている浮体式洋上風力発電システムが記載されている。
特に、特許文献1の図3には、1本の繋留体の途中に、繋留体やケーブルにねじれが生じた場合に、そのねじれを開放するねじれ防止連結体を設けることが開示されている。
上記のように、浮体式洋上風力発電システムの開発においては、海洋工事などの設備の導入コストを低減すると共に、不安定な洋上においても浮体式洋上風力発電システムに十分な風を受けて効率良く発電するための様々な取り組みがなされている。
しかしながら、上記した特許文献1に記載されている浮体式洋上風力発電システムでは、浮体式洋上風力発電システムを1本の繋留体で海底に固定することで、3本以上の繋留体を同程度の張力で繋留する従来の浮体式洋上風力発電システムに比べて、海洋工事のコストを抑えることができるが、海流の向きが比較的一定している海域であっても、風向の変動や海流の表面流の変動により、繋留体と固定体の連結部分を支点として、浮体式風力発電システム全体が回転する場合がある。
また、特許文献1の図3に記載されている1本の繋留体の途中に設けられ、繋留体にねじれが生じた場合に、そのねじれを開放するねじれ防止連結体は、浮体式洋上風力発電システムが回転して繋留体やケーブルがからまっても、それを開放するようにしたものであり、浮体式洋上風力発電システムの回転を阻止しようとするものではない。
本発明は上述の点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、設備導入のコストを抑えつつ、1本の繋留体で浮体を海底に固定したものであっても、浮体式洋上風力発電装置全体が回転するのを防止し、安定して効率良い発電が可能な浮体式洋上風力発電システムを提供することにある。
本発明の浮体式洋上風力発電システムは、上記目的を達成するために、発電機の支柱となるタワーと、該タワー上に回転可能に設けられ、前記発電機を内蔵するナセルと、該ナセルの一端に回転可能に設けられ、風を受けて回転エネルギーへ変換するハブ及び複数のブレードからなるロータとを備え、前記タワーは洋上に浮かんだ浮体上に設置され、前記浮体は1本の繋留体により海底に固定されている浮体式洋上風力発電システムであって、前記浮体と前記海底との間の前記繋留体の少なくとも1カ所に、海流を受けて抗力を発生する形状を有する繋留安定体を備えていることを特徴とする。
本発明によれば、設備導入のコストを抑えつつ、1本の繋留体で浮体を海底に固定したものであっても、浮体式洋上風力発電装置全体が回転するのを防止し、安定して効率良い発電が可能となる。
以下、図示した実施例に基づいて本発明の浮体式洋上風力発電システムを説明する。なお、各実施例において、同一構成部品には同符号を使用する。
図1、図2及び図3に、本発明の浮体式洋上風力発電システムの実施例1を示す。なお、図1は、海流11と風10が同方向の時における浮体式洋上風力発電システムの状態を示し、図2は、海流11と風10が逆方向の時のおける浮体式洋上風力発電システムの状態を示している。
該図に示す本実施例の浮体式洋上風力発電システムは、後述するロータ13がナセル3の風下側(図1の左側)に設けられているダウンウィンド型である。このダウンウィンド型の浮体式洋上風力発電システムは、ロータ13が、複数のブレード1がロータ13面に対して風下側に傾斜して設けられている。
図1及び図2に示すように、本実施例の浮体式洋上風力発電システムは、発電機(図示せず)の支柱となるタワー4と、このタワー4上に回転可能に設けられ、発電機を内蔵するナセル3と、ナセル3の一端に回転可能に設けられ、風10を受けて回転エネルギーへ変換するハブ2及び複数のブレード1からなるロータ13とを備えて概略構成され、タワー4は、洋上に浮かんだ略円筒形状のスパー型浮体である浮体5上に設置され、この浮体5は、1本の強固なロープやチェーン等からなる繋留体6により、コンクリート等の固定体7を介して海底9に固定されている。
具体的には、洋上に浮かんだ円筒構造の浮体5上に、浮体式洋上風力発電システムの支柱となるタワー4が設置され、タワー4上には、図示しない発電機が内蔵されるナセル3が回転可能に設けられている。
また、ナセル3の一端には、ハブ2及び複数のブレード1からなるロータ13が回転可能に設けられている。このロータ13が風10を受けて回転エネルギーへ変換し、その回転エネルギーを発電機に伝えることで発電する構成となっている。
上記した浮体5は、海面8に発生する波浪や海流11の影響により不安定になりやすい。浮体5が洋上で不安定になると、その上に設置されている浮体式洋上風力発電システム、即ち、風力発電装置も不安定な状態となり、ロータ13に効率良く風10を受けることができなくなり、発電効率が低下してしまう。
そこで、浮体5を可能な限り安定させるため、浮体5の下端と海底9に設置したコンクリート等の固定体7を強固なロープやチェーン等からなる繋留体6により連結している。
そして、本実施例における浮体式洋上風力発電システムでは、図1及び図2に示すように、浮体5と海底9との間の繋留体6の少なくとも1カ所に、海流11を受けて抗力を発生する形状を有する繋留安定体12を備えている。
即ち、本実施例における浮体式洋上風力発電システムは、浮体5と海底9に設置された固定体7とが1本の繋留体6で連結され、海底9に固定されていると共に、繋留体6の固定体7と浮体5のそれぞれの接続点の間のいずれか一カ所以上に、海流11により抗力を発生する繋留安定体12が設置されているものであり、海流11により発生する抗力によって浮体5の繋留方向を安定させるようにしたものである。
上記した繋留安定体12は、図3に示すように、1本の繋留体6に固定されている板状部材12aと、この板状部材12aに固定され、海流11を受けて抗力を発生する形状の2つの円盤状部材12a1及び12a2とから構成されている。
なお、海流11を受けて抗力を発生する形状の部材は、円盤状部材12a1及び12a2に限らず四角形状等の部材であっても構わない。要は、海流11を受けて抗力を発生するための面積を持った部材であれば良い。
上記のような構成とすることで、図1のように海流11に対して風10が同方向から吹いた時は勿論、図2のように海流11に対して風10が逆方向から吹いた時にも、繋留安定体12に発生する抗力により、繋留体6と固定体7の連結部分を支点として、浮体式洋上風力発電システム全体が回転することを防止できる。
即ち、タワー4は傾斜するが、浮体式洋上風力発電システム全体は繋留体6で固定体7に固定され、更に、繋留体6に繋留安定体12が設置されているため回転はしない。
また、繋留安定体12の海流11に対して抗力を生ずる円盤状部材12a1及び12a2で発生する抗力の合計が、浮体5の海面8下にある部分に対して海流11により発生する抗力よりも大きくなるように、繋留安定体12の数や抗力を生ずる円盤状部材12a1及び12a2の大きさ(円盤状部材12a1及び12a2の直径の大きさ)を決めることにより、浮体5の繋留方向を安定させことができる。
従って、本実施例によれば、設備導入のコストを抑えつつ、1本の繋留体6で浮体5を海底9に固定したものであっても、浮体式洋上風力発電装置全体が回転するのを防止し、安定して効率良い発電が可能となる。
図4に、本発明の浮体式洋上風力発電システムの実施例2として、実施例1で説明した繋留安定体12とは異なる他の例を示す。
図4に示すように、実施例2における浮体式洋上風力発電システムに採用される繋留安定体12は、1本の繋留体6に固定されている板状部材12aと、この板状部材12aに固定され、海流11を受けて発電する海流発電装置12b1及び12b2とから構成され、上記海流発電装置12b1及び12b2は、海流11により回転する海流発電装置用ロータ12c1及び12c2を備え、この海流発電装置用ロータ12c1及び12c2の回転エネルギーを電力に変換するものである。
そして、海流11で海流発電装置用ロータ12c1及び12c2を回転させる際に生じる海流11に対する抗力により、浮体5の繋留方向を安定させるものである。
このような本実施例の構成とすることで、実施例1と同様な効果が得られることは勿論、1本の繋留体6で浮体5を海底9に固定した場合であっても、洋上において安定して浮体式洋上風力発電システムを設置することが可能となると共に、海流11による海流発電装置12b1及び12b2の発電電力を、ケーブル線等を介して浮体式洋上風力発電システムの発電電力に加えることにより、より高効率な浮体式洋上風力発電システムが可能となる。
図5に、本発明の浮体式洋上風力発電システムの実施例3を示す。図5に示す実施例3の浮体式洋上風力発電システムは、実施例1と同様に、ロータ13がナセル3の風下側に設けられているダウンウィンド型である。
図5に示す本実施例における浮体式洋上風力発電システムの浮体は、複数の略円筒形状の構造物の組み合わせにより構成されるセミサブ型浮体20を用いたものである。このセミサブ型浮体20は、平面で見ると四角形や三角形となっている。
本実施例では、上記したセミサブ型浮体20に繋留体6の一端が連結され、繋留体6の他端が固定体7に連結されて海底9に固定されていると共に、繋留体6の途中に実施例1或いは実施例2のような構成の繋留安定体12が設置されている。
このような本実施例の構成とすることにより、実施例1及び2と同様な効果が得られることは勿論、セミサブ型浮体20は、海流11の抵抗を受けやすい複雑な形状なっているため、海中においても安定して浮かべることができ、1本の繋留体6により海底9に固定した場合においても、揺れ難い浮体式洋上風力発電システムとすることができる。
なお、本実施例では、浮体式洋上風力発電システムの浮体として、複数の略円筒形状の構造物の組み合わせにより構成されるセミサブ型浮体20としたが、このセミサブ型浮体に代えて、略円筒形状のスパー型浮体(実施例1の図1及び図2に示す浮体5のような形状)としても構わない。
図6に、本発明の浮体式洋上風力発電システムの実施例4を示す。図6に示す実施例4の浮体式洋上風力発電システムは、実施例1と同様に、ロータ13がナセル3の風下側に設けられているダウンウィンド型である。
実施例1において説明した浮体式洋上風力発電システムは、浮体5と海底9に設置された固定体7とが1本の繋留体6で連結され海底9に固定されているのに対し、本実施例では、1本の繋留体6と平行に、1本の繋留体6と共に浮体5を海底9に固定する第2の繋留体6aを設け、この1本の繋留体6と第2の繋留体6aの少なくとも1カ所に、実施例1或いは実施例2のような構成の繋留安定体12が設置されている。
この繋留体6と第2の繋留体6aの2本の繋留体により、浮体5と海底9に設置された固定体7とが連結して設けられ、繋留体6と第2の繋留体6aは固定体7に連結されている。
なお、本実施例での繋留体6と第2の繋留体6aは、同程度の張力で固定体7に連結してもよく、また、各々異なる張力で固定体7に連結してもよい。繋留体6と第2の繋留体6aを各々異なる張力で固定体7に連結する場合、同程度の張力で連結する場合に比べてその海洋工事のコストを抑えることができる。
このような本実施例の構成によれば、実施例1及び2と同様な効果が得られることは勿論、繋留体6又は第2の繋留体6aが破断した場合であっても、第2の繋留体6a又は繋留体6が浮体5を繋留することができる(1本の繋留体6又は第2の繋留体6aが破断した場合のバックアップとなる)ため、浮体式洋上風力発電システム本体の流出を確実に防ぐことができる。
図7に、本発明の浮体式洋上風力発電システムの実施例5を示す。図7に示す実施例5の浮体式洋上風力発電システムは、実施例1と同様に、ロータ13がナセル3の風下側に設けられているダウンウィンド型である。
上述した実施例4の浮体式洋上風力発電システムでは、浮体5と1つの固定体7とを繋留体6と第2の繋留体6aで連結する例を示したが、本実施例においては、更に、繋留安定体12が設置されている繋留体6と第2の繋留体6aとは異なる張力の別の第3の繋留体21が設置され、この第3の繋留体21でも浮体5を海底9に固定するようにし、第3の繋留体21には、繋留安定体12が設置されていないものである。
即ち、固定体7とは別の固定体7aを海底9に設置し、第3の繋留体21により繋留体6と第2の繋留体6aとは異なる張力で浮体5と固定体7aとを連結している。そして、この時、実施例1或いは実施例2のような構成の繋留安定体12は、繋留体6と第2の繋留体6aにだけ設置し、別な第3の繋留体21には設置しない。
このような構成とすることで、通常時は繋留安定体12に発生する抗力により、繋留体6と第2の繋留体6aにだけ張力がかかり、第3の繋留体21には弱い張力しかかからない。海流11の向きが変化した場合に、浮体式洋上風力発電システムの位置が変わり、弱い張力で設置されている第3の繋留体21の張力が別の繋留体6と第2の繋留体6aよりも強くなり、第3の繋留体21により浮体5が繋留されるようになる。
このような本実施例の構成によれば、実施例4と同様な効果が得られることは勿論、繋留体6と第2の繋留体6aが2本とも破断してしまった場合においても、第3の繋留体21が浮体式洋上風力発電システムの流出を防ぎ、第3の繋留体21により、浮体5を繋留することができる。
図8に、図7に示した実施例5の変形例を示す。図8に示す実施例5の変形例は、繋留安定体12が設置されている繋留体を、繋留体6又は第2の繋留体6aのいずれか1本(本実施例では繋留体6)にしたものである。その他の構成は、図7の実施例と同様である。
このような本実施例の構成によれば、実施例1と同様な効果が得られることは勿論、繋留体6又は第2の繋留体6aが破断してしまった場合においても、第3の繋留体21が浮体式洋上風力発電システムの流出を防ぎ、第3の繋留体21により、浮体5を繋留することができる。
図9(a)に、本発明の浮体式洋上風力発電システムの実施例6を示し、浮体式洋上風力発電システムのナセル3及びロータ13を平面から見た状態である。
図9(a)に示すように、本実施例では、上述した各実施例において説明した浮体式洋上風力発電システムのロータ13の形状を、タワー4の軸(4a)回りで回転するヨー回転に対して常に風方向にナセル3を向けるように、ハブ2に対し一定の角度(コーン角26)を持たせて複数のブレード1a、1bを取り付けるようにしたものである。
なお、コーン角26は、ロータ13の主軸方向24と直交する面25とブレード1a(1b)との間の角度である。
このように、実施例1乃至5で説明した浮体式洋上風力発電システムのロータ13に、コーン角26を設けることで、風力発電装置がタワー4の方向軸に対する回転であるヨー回転に対し風方向へナセル3を向けることができる。
このように、実施例1乃至5で説明した浮体式洋上風力発電システムのロータ13に、コーン角26を設けることで、風力発電装置がタワー4の方向軸に対する回転であるヨー回転に対し風方向へナセル3を向けることができる。
図9(b)に、本発明の浮体式洋上風力発電システムの実施例7を示し、浮体式洋上風力発電システムのナセル3及びロータ13を平面から見た状態である。
図9(b)に示すように、本実施例では、上述した実施例1乃至5において説明した浮体式洋上風力発電システムのナセル3及びロータ13が一定の角度(ヨー偏差角27)を持って回転した場合、ブレード1bは風10に対して傾斜の大きいブレード1aに比べて大きなスラスト力を受け、風力発電装置にヨー復元力28が生じ、ナセル3を風10の方向へ向け、効率良い発電を維持することができる。
なお、ヨー偏差角27は、風向29と傾斜したロータ13の主軸方向24との間の角度である。
また、実施例1乃至5で説明した繋留安定体12で発生する海流11に対する抗力を用いても、浮体式洋上風力発電システムの繋留方向を一方向に安定できない事態となった場合は、図9(a)の状態からヨー角の制御によりヨー偏差角27を大きくすることで、浮体式洋上風力発電システム全体に回転力を与え、繋留方向を安定させることができる。このとき、ロータ13のピッチ角をタワー4の中に設置されている制御装置で制御することで、風10に対する浮体式洋上風力発電システムの抗力を変更することで、繋留方向の安定に寄与することもできる。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
1、1a、1b…ブレード、2…ハブ、3…ナセル、4…タワー、4a…タワーの軸、5…浮体、6…繋留体、6a…第2の繋留体、7、7a…固定体、8…海面、9…海底、10…風、11…海流、12…繋留安定体、12a…板状部材、12a1、12a2…円盤状部材、12b1、12b2…海流発電装置、13…ロータ、12c1、12c2…海流発電装置用ロータ、20…セミサブ型浮体、21…第3の繋留体、24…ロータの主軸方向、25…ロータの主軸方向と直交する面、26…コーン角、27…ヨー偏差角、28…ヨー復元力、29…風向。
Claims (15)
- 発電機の支柱となるタワーと、該タワー上に回転可能に設けられ、前記発電機を内蔵するナセルと、該ナセルの一端に回転可能に設けられ、風を受けて回転エネルギーへ変換するハブ及び複数のブレードからなるロータとを備え、
前記タワーは洋上に浮かんだ浮体上に設置され、前記浮体は1本の繋留体により海底に固定されている浮体式洋上風力発電システムであって、
前記浮体と前記海底との間の前記繋留体の少なくとも1カ所に、海流を受けて抗力を発生する形状を有する繋留安定体を備えていることを特徴とする浮体式洋上風力発電システム。 - 請求項1に記載の浮体式洋上風力発電システムであって、
前記繋留体と平行に、該繋留体と共に前記浮体を海底に固定する第2の繋留体を設け、この両者の繋留体の少なくとも1カ所に、前記繋留安定体が設置されていることを特徴とする浮体式洋上風力発電システム。 - 請求項1又は2に記載の浮体式洋上風力発電システムであって、
前記繋留安定体が設置されている前記繋留体及び/又は第2の繋留体とは異なる張力の第3の繋留体が設置され、この第3の繋留体でも前記浮体を海底に固定するようにし、前記第3の繋留体には、前記繋留安定体が設置されていないことを特徴とする浮体式洋上風力発電システム。 - 請求項2又は3に記載の浮体式洋上風力発電システムであって、
前記繋留安定体は、前記繋留体及び/又は前記第2の繋留体に固定されている板状部材と、該板状部材に固定され、海流を受けて抗力を発生する形状の部材とから成ることを特徴とする浮体式洋上風力発電システム。 - 請求項4に記載の浮体式洋上風力発電システムであって、
前記海流を受けて抗力を発生する形状の部材は、円盤状を成していることを特徴とする浮体式洋上風力発電システム。 - 請求項2又は3に記載の浮体式洋上風力発電システムであって、
前記繋留安定体は、前記繋留体及び/又は前記第2の繋留体に固定されている板状部材と、該板状部材に固定され、海流を受けて発電する海流発電装置とから成ることを特徴とする浮体式洋上風力発電システム。 - 請求項6に記載の浮体式洋上風力発電システムであって、
前記海流発電装置は、海流により回転する海流発電装置用ロータを備え、該海流発電装置用ロータの回転エネルギーを電力に変換するものであることを特徴とする浮体式洋上風力発電システム。 - 請求項1乃至7のいずれか1項に記載の浮体式洋上風力発電システムであって、
前記繋留安定体は、該繋留安定体の海流に対して抗力を生ずる形状で発生する抗力の合計が、前記浮体の海面下に位置する部分に対して海流により発生する抗力よりも大きいことを特徴とする浮体式洋上風力発電システム。 - 請求項1乃至8のいずれか1項に記載の浮体式洋上風力発電システムであって、
前記浮体は、複数の略円筒形状の構造物の組み合わせにより構成されるセミサブ型浮体或いは略円筒形状のスパー型浮体であることを特徴とする浮体式洋上風力発電システム。 - 請求項1乃至9のいずれか1項に記載の浮体式洋上風力発電システムであって、
前記浮体式洋上風力発電システムは、前記ロータが前記ナセルの風下側に設けられているダウンウィンド型であることを特徴とする浮体式洋上風力発電システム。 - 請求項10に記載の浮体式洋上風力発電システムであって、
前記ロータは、複数の前記ブレードがロータ面に対し風下側に傾斜して設けられていることを特徴とする浮体式洋上風力発電システム。 - 請求項1乃至11のいずれか1項に記載の浮体式洋上風力発電システムであって、
前記ロータの形状は、前記タワーの軸回りで回転するヨー回転に対して常に風方向に前記ナセルを向けるよう、前記ハブに対し一定のコーン角を持たせて複数の前記ブレードが設置されていることを特徴とする浮体式洋上風力発電システム。 - 請求項12に記載の浮体式洋上風力発電システムであって、
前記コーン角は、前記ロータの主軸方向と直交する面と前記ブレードとの間の角度であることを特徴とする浮体式洋上風力発電システム。 - 請求項1乃至11のいずれか1項に記載の浮体式洋上風力発電システムであって、
前記ナセル及び前記ロータは、回転中に最下部に位置する前記ブレードが、風向に対して傾斜する最上部に位置する前記ブレードに比べて大きなスラスト力を受けるように、一定のヨー偏差角を持って回転することを特徴とする浮体式洋上風力発電システム。 - 請求項14に記載の浮体式洋上風力発電システムであって、
前記ヨー偏差角は、前記風向と傾斜した前記ロータの主軸方向との間の角度であることを特徴とする浮体式洋上風力発電システム。
Priority Applications (2)
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