JP5230387B2 - 波力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、海上に発生する波により発電可能な波力発電装置に関するものである。

従来、海洋波浪を利用した移動型の波力発電装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この波力発電装置は、密閉のブイと、上下のバネによりブイの内部に支持された振動子と、を備えている。そして、振動子は、その固有振動数が海洋波浪の上下の揺動振動数となるように、振動子の質量が予め決定されている。また、ブイの内部には、振動子に固定された可変容量タンクが設けられると共に、チューブを介して可変容量タンクに接続されたタンクが設けられている。このため、状況により変化する海洋波浪の揺動振動数に応じて、可変容量タンクの液量を調整することにより、振動子の固有振動数を海洋波浪の揺動振動数に近づけることができる。

特開２００７−２９７９２９号公報

ところで、従来の波力発電装置の構成では、密閉となるブイの内部に振動子やラック・ピニオン等の各種部材を配設しているため、これら各種部材の据え付けが難しく、波力発電装置の生産効率を向上させることが困難な問題がある。

そこで、本発明は、アーム等の各種部材の据え付けを容易に行えることができると共に、経時的に変化する水上に発生した波の振動数に応じて、揺動するアームの固有振動数を変更することが可能な波力発電装置を提供することを課題とする。

本発明の波力発電装置は、水上に浮揚可能な浮体と、浮体に形成された載置面に配設され、一方の端部を支点として、天地方向に回動自在なアームと、アームと載置面とを連結して、アームを回帰点を中心に天地方向に揺動させる弾性体と、浮体に対して相対的に揺動するアームの固有振動数を可変する振動数可変手段と、浮体に対して相対的に揺動するアームの運動エネルギーを電気エネルギーに変換可能な発電手段と、を備えたことを特徴とする。

この場合、振動数可変手段は、アームに取り付けられたウェイトと、ウェイトをアームの長手方向に移動させるウェイト移動手段と、を有していることが、好ましい。

この場合、振動数可変手段は、アームに取り付けられたウェイトと、アームの長手方向においてアームの支点とウェイトとの間の長さを可変するアーム長可変手段と、を有していることが、好ましい。

この場合、ウェイトは、水中に没した没水盤と、没水盤とアームとを連結する連結部材と、で構成されていることが、好ましい。

この場合、ウェイトは、水上に浮揚可能なフロートと、フロートとアームとを連結する連結部材と、を有していることが、好ましい。

この場合、発電手段は、載置面とアームとの間に連結されると共にアームの揺動動作により作動流体を汲み出し可能なポンプ部と、ポンプ部により汲み出された作動流体により駆動可能な駆動部と、駆動部の駆動により電気を発生可能な発電部と、を有していることが、好ましい。

この場合、ポンプ部は、アームの長手方向に移動可能に設けられていることが、好ましい。

この場合、アームは浮体の載置面に複数設けられており、複数のアームは、載置面の中心から放射状にそれぞれ配設されていることが、好ましい。

請求項１の波力発電装置によれば、水上に発生した波により浮体が天地方向に振動するため、浮体の載置面に配設されたアームは、浮体に対し、回帰点を中心に相対的に揺動する。このとき、アームの固有振動数を、振動数可変手段により可変することができるため、経時的に変化する波の振動数、具体的には、波により揺れ動く浮体の振動数に応じて、揺動するアームの固有振動数を変更することができる。これにより、波の振動数とアームの固有振動数とを共振させることができるため、アームの揺動動作における振幅を大きくすることができ、発電手段の発電効率を向上させることができる。また、アームや弾性体等の各種部材は、浮体の載置面に簡単に据え付けることができるため、波力発電装置の生産効率を向上させることができる。

請求項２の波力発電装置によれば、アームに取り付けたウェイトを、ウェイト移動手段によりアームの長手方向に移動させることで、アームの固有振動数を簡単に変更することができる。

請求項３の波力発電装置によれば、アーム長可変手段により、アームの支点と前記ウェイトとの間のアームの長さを可変することで、アームの固有振動数を簡単に変更することができる。

請求項４の波力発電装置によれば、没水盤を連結部材を介してアームに連結することで、没水盤および連結部材をウェイトとして機能させることができる。このとき、没水盤の径を大きくすればするほど、アームへの加重を大きくすることができる。

請求項５の波力発電装置によれば、フロートを連結部材を介してアームに連結することで、フロートおよび連結部材をウェイトとして機能させることができる。また、フロートは、浮体とは別に、水上に発生した波により天地方向に揺動するため、フロートの揺動をアームに伝達することができる。

請求項６の波力発電装置によれば、ポンプ部により作動流体を汲み出すことにより、作動流体を流通させて駆動部を駆動させることができると共に、駆動部の駆動により電気を発生させることができる。

請求項７の波力発電装置によれば、波の波高に応じて、ポンプ部をアームの長手方向に移動させることにより、発電手段の発電効率をさらに向上させることができる。

請求項８の波力発電装置によれば、波の進行方向が変化しても、いずれかのアームの長手方向を波の進行方向に一致させることができるため、いずれかのアームの揺動動作の振幅を大きくすることができる。

以下、添付した図面を参照して、本発明に係る波力発電装置について説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。

ここで、図１は、実施例１に係る波力発電装置を模式的に表した側面図であり、図２は、波力発電装置のウェイトの位置制御に関するフローチャートである。

図１に示すように、波力発電装置１は、海上に発生した波浪により電気を発生させるものである。波力発電装置１は、海上に浮揚可能な浮函５と、浮函５の天面５ａに設けられた複数のアーム部６と、各アーム部６と天面５ａとの間に連結された複数の圧縮バネ７（弾性体）と、各アーム部６に取り付けられた複数のウェイト８とを備えている。また、波力発電装置１には、各アーム部６と天面５ａとの間に油圧シリンダ１０（ポンプ部）が連結されており、この油圧シリンダ１０は、油圧モータ１１（駆動部）に連結され、油圧モータ１１は発電機１２（発電部）に連結されている。つまり、油圧シリンダ１０、油圧モータ１１および発電機１２は、発電手段として機能する発電装置１５となっている。

浮函５は、鉛直方向の上方部２０が円柱形状に形成されると共に鉛直方向の下方部２１が下向きの略円錐形状に形成されており、上方部２０および下方部２１が一体に形成され、その内部が中空となっている。このため、浮函５は、上方部２０の上面（天面５ａ）を海上から露出させた状態で、海上に浮揚している。このとき、浮函５の天面５ａは、上記した各アーム部６、各圧縮バネ７、各ウェイト８および各油圧シリンダ１０の載置面となっている。

各アーム部６は、天面５ａに立設する支柱２５と、一方の端部を支柱２５に連結したアーム２６とで構成されている。そして、支柱２５は、その先端がアーム２６の支軸２７となっており、支軸２７はその軸方向が水平方向となっている。また、アーム２６は、長方形の板状に構成されており、その長手方向の一方の端部が支柱２５に軸支された固定端部となっており、他方の端部が自由端部となっている。なお、このアーム２６の上面２６ａには後述するウェイト８が移動自在に取り付けられている。これにより、アーム２６は支軸２７を中心として、周方向へ回動自在に構成される。

また、複数のアーム部６は、その長手方向が平行となるように並べて配設されており、平行に配設された複数のアーム部６は、固定端部から自由端部に至る配設方向が交互に逆方向となるように配設されている。

各圧縮バネ７は、アーム２６の下面２６ｂと浮函５の天面５ａとの間に連結されており、アームを回帰点Ｏに位置させている。つまり、この回帰点Ｏは、アーム２６およびウェイト８の重さと、天上側ヘ向けて付勢する圧縮バネ７のバネ力とが釣り合う位置となっている。これにより、アーム２６は、回帰点Ｏを中心に、鉛直方向へ揺動可能に構成される。具体的に、海上に発生した波により、浮函５に対しアーム２６が鉛直方向の下方側へ相対的に移動すると、アーム２６は圧縮バネ７を圧縮するため、圧縮バネ７はアーム２６を鉛直方向の上方側へ付勢し、これにより、アーム２６を回帰点Ｏに戻す。一方、発生した波により、浮函５に対しアーム２６が鉛直方向の上方側へ相対的に移動すると、アーム２６は圧縮バネ７を引張するため、圧縮バネ７はアーム２６を鉛直方向の下方側へ付勢し、これにより、アーム２６を回帰点Ｏに戻す。

ウェイト８は、直方体に形成されており、上記したようにアーム２６の上面２６ａに取り付けられており、アーム２６の長手方向に移動可能に載置されている。すなわち、ウェイト８が載置されるアーム２６の上面２６ａには、ウェイト８を長手方向に移動させるためのレール３０が敷設されており、ウェイト８には、レール３０を走行するための走行駆動系３１（ウェイト移動手段）が設けられている。この走行駆動系３１は、波力発電装置１に備えられた図示しない制御装置により移動制御されており、この制御装置は、発生する波の振動数に応じて、ウェイト８を長手方向の所定位置に移動させている。

発電装置１５は、上記したように、油圧シリンダ１０と、油圧モータ１１と、発電機１２とで構成されており、揺動するアーム２６により油圧シリンダ１０を往復動作させて作動油を流通させることにより、油圧モータ１１の駆動軸を回転させ、発電機１２により発電を行っている。

油圧シリンダ１０は、浮函５の天面５ａとアーム２６の下面２６ｂとの間に連結されており、アーム部６の支柱２５側近傍に固定して配設されている。これにより、油圧シリンダ１０は、そのロッドが鉛直方向に往復動作可能となっている。そして、油圧シリンダ１０のロッドを鉛直方向に往復動作させると、油圧シリンダ１０の内部に作動油が導入され、油圧シリンダ１０の内部を通過して、油圧シリンダ１０の外部へ作動油が導出される。

油圧モータ１１は、油圧シリンダ１０と接続されている。そして、油圧シリンダ１０から導出された作動油は、油圧モータ１１内に導入され、導入された作動油は、油圧モータ１１内を流れることで駆動軸を回転させ、油圧モータ１１内を通過した作動油は、油圧シリンダ１０へ向けて導出される。つまり、作動油は、油圧シリンダ１０と油圧モータ１１との間で循環している。

発電機１２は、油圧モータ１１の駆動軸に連結されており、油圧モータ１１の駆動軸が回転することにより、電気を発生させている。

従って、発電装置１５は、浮函５に対しアーム２６が鉛直方向に相対的に揺動すると、油圧シリンダ１０のロッドが鉛直方向に往復動作する。すると、油圧シリンダ１０は、油圧シリンダ１０および油圧モータ１１の作動油を循環させ、これにより、油圧モータ１１の駆動軸が回転する。そして、発電機１２は、連結された駆動軸が回転することで、電気を発生させる。

ここで、図２を参照して、実施例１に係る波力発電装置１のウェイト８の位置制御について説明する。上記したように、波力発電装置１の制御装置は、発生する波の振動数に応じて、アーム２６の長手方向におけるウェイト８を所定の位置に移動させている。つまり、アーム２６の揺動動作は、主としてアーム２６の上面２６ａに載置されたウェイト８の影響が大きいため、揺動するアーム２６の固有振動数は、ウェイト８の位置によって決定される。

具体的に、アーム２６の固有振動数ｆは、「ｆ＝１／Ｔ（アームの固有周期）」で表され、「Ｔ≒√（ｍｒ^２／ｋＬ^２）」で表される。ここで、ｍは、ウェイト８の重量であり、ｒは、支軸２７とウェイト８の重心との間の距離であり、ｋは、圧縮バネ７のバネ定数であり、Ｌは、支柱２５と圧縮バネ７との間の距離である。

先ず、浮函５上に設置した図示しない加速度センサの検出結果に基づいて、発生する波に揺れる浮函５の揺動周期Ｔ_ｆを導出する（Ｓ１）。そして、浮函５に対し相対的に揺動するアーム２６の固有周期Ｔ_ａが、「Ｔ_ａ＝Ｔ_ｆ」となるように、距離ｒを導出する（Ｓ２）。そして、制御装置は、走行駆動系３１を制御し、支軸２７とウェイト８の重心との間の距離ｒが、導出された距離ｒとなるようにウェイト８を移動させる（Ｓ３）。

具体的に、発生する波に揺れる浮函５の揺動周期Ｔ_ｆが短周期である場合、制御装置は、距離ｒを短くすることにより、アーム２６の固有周期Ｔ_ａを短周期とすることができる。一方で、発生する波に揺れる浮函５の揺動周期Ｔ_ｆが長周期である場合、制御装置は、距離ｒを長くすることにより、アーム２６の固有周期Ｔ_ａを長周期とすることができる。

以上の構成によれば、海上に発生した波により浮函５が天地方向に振動するため、浮函５の天面５ａに配設されたアーム２６は、浮函５に対し、回帰点Ｏを中心に相対的に揺動する。このとき、アーム２６の固有振動数を、走行駆動系３１によりウェイト８を移動させることで可変することができるため、変化する波の振動数、具体的には、波により揺れ動く浮函５の振動数に応じて、揺動するアーム２６の固有振動数を変更することができる。これにより、波の振動数とアーム２６の固有振動数とを共振させることができるため、アーム２６の揺動動作における振幅を大きくすることができ、発電装置１５の発電効率を向上させることができる。また、アーム部６や圧縮バネ７等の各種部材を浮函５の天面５ａに簡単に据え付けることができるため、波力発電装置１の生産効率を向上させることができる。

次に、図３を参照して、実施例２に係る波力発電装置５０について説明する。なお、重複した記載を避けるべく、異なる部分についてのみ説明する。図３は、実施例２に係る波力発電装置を、波の周期および波高の高さに応じて場合分けした説明図である。この波力発電装置５０は、油圧シリンダ１０が、アーム２６の長手方向に移動自在に構成されている。

具体的に、油圧シリンダ１０は、浮函５の天面５ａに取り付けられており、アーム２６の長手方向に移動可能に載置されている。すなわち、油圧シリンダ１０が載置される浮函５の天面５ａには、油圧シリンダ１０を長手方向に移動させるためのシリンダ側レール５３が敷設されており、油圧シリンダ１０には、シリンダ側レール５３を走行するための走行駆動系５４が設けられている。そして、この走行駆動系５４は、波力発電装置５０の制御装置により移動制御されており、この制御装置は、発生する波の波高の高さに応じて、油圧シリンダ１０を長手方向の所定位置に移動させている。

ここで、図３を参照し、実施例２に係る波力発電装置５０の油圧シリンダ１０の移動制御について説明する。なお、この説明では、波力発電装置５０のウェイト８の移動制御に関連付けて説明する。実施例１の波力発電装置１で説明したように、発生する波に揺れる浮函５の揺動周期Ｔ_ｆが短周期である場合、制御装置は、支軸２７とウェイト８の重心との間の距離ｒを短くする一方、発生する波に揺れる浮函５の揺動周期Ｔ_ｆが長周期である場合、制御装置は、距離ｒを長くしている。

また、実施例２の波力発電装置５０において、発生する波の波高が低い場合、揺動するアーム２６の振幅が狭くなるため、制御装置は、支柱２５と油圧シリンダ１０との間の距離を短くする。これにより、支点となる支柱２５と作用点となる油圧シリンダ１０との距離を短くすることができるため、アーム２６から油圧シリンダ１０へ加えるトルクを確保することができる。一方、発生する波の波高が高い場合、揺動するアーム２６の振幅が広くなるため、制御装置は、支柱２５と油圧シリンダ１０との間の距離を長くする。これにより、油圧シリンダ１０のロッドの往復動作を、波高が低い場合に比して大きなものとすることができるため、発電装置１５の発電効率を向上させることが可能となる。

以上の構成によれば、波の波高に応じて、油圧シリンダ１０をアーム２６の長手方向に移動させることで、波力発電装置５０の発電効率をさらに向上させることができる。

次に、図４を参照して、実施例３に係る波力発電装置６０について説明する。なお、この場合も、重複した記載を避けるべく、異なる部分についてのみ説明する。図４は、実施例３に係る波力発電装置を模式的に表した側面図である。実施例１における波力発電装置１では、アーム２６の上面２６ａにウェイト８を載置すると共に、ウェイト８をアーム２６の長手方向に移動させることで、アーム２６の固有周期を変更していたが、実施例３における波力発電装置６０では、没水盤６４および連結部材６５で構成されたウェイト６３を、アーム６８の他方の端部（自由端部）に取り付け、長手方向におけるアーム６８の長さを可変することで、アーム６８の固有周期を変更している。

具体的に、各アーム６８に取り付けられた各ウェイト６３は、水中に没した没水盤６４と、没水盤６４とアーム６８の自由端部とを連結する連結部材６５とで構成されている。没水盤６４は、円盤状に形成されており、水平となるように配設されている。このため、没水盤６４の径を大きくすればするほど、アーム６８への加重が大きくなる。

また、アーム６８は、長手方向において長さを変更可能に構成されている。すなわち、アーム６８には、長手方向において長さを変更する伸縮機構６９が設けられており、この伸縮機構６９は、波力発電装置６０の制御装置により制御されている。そして、この制御装置は、発生する波の振動数に応じて、長手方向におけるアーム６８の長さを所定の長さとなるように伸縮している。

これにより、波力発電装置６０は、発生する波に揺れる浮函５の揺動周期Ｔ_ｆが短周期である場合、制御装置は、長手方向におけるアーム６８の長さを短くすることにより、アーム６８の固有周期Ｔ_ａを短周期とすることができる。一方で、発生する波に揺れる浮函５の揺動周期Ｔ_ｆが長周期である場合、制御装置は、長手方向におけるアーム６８の長さを長くすることにより、アーム６８の固有周期Ｔ_ａを長周期とすることができる。

以上の構成においても、伸縮機構６９により長手方向におけるアーム６８の長さを可変することにより、波の振動数に応じて、揺動するアーム６８の固有振動数を変更することができる。これにより、波の振動数とアーム６８の固有振動数とを共振させることができるため、アーム６８の揺動動作における振幅を大きくすることができ、発電装置１５の発電効率を向上させることができる。また、実施例１ではアーム２６の上面２６ａにウェイト８を載せていたが、実施例３の波力発電装置６０では、アーム６８に載置不能なウェイト６３の重さであっても、アーム６８の上面にウェイト６３を載せることなく、アーム６８に加重を加えることができる。

次に、図５を参照して、実施例４に係る波力発電装置８０について説明する。なお、この場合も、重複した記載を避けるべく、異なる部分についてのみ説明する。図５は、実施例４に係る波力発電装置を模式的に表した側面図である。実施例３における波力発電装置６０では、ウェイト６３が没水盤６４および連結部材６５で構成されていたが、実施例４における波力発電装置８０では、ウェイト８３がフロート８４および連結部材８５で構成されている。また、実施例３と同様に、アーム６８は、長手方向において長さを変更可能に構成されている。

具体的に、各アーム６８に取り付けられた各ウェイト８３は、水上に浮揚するフロート８４と、フロート８４とアーム６８の自由端部とを連結する連結部材８５とで構成されている。フロート８４は、浮函５に比して一回り小さく構成されているため、浮函５に比して波に揺動し易くなっている。以上により、例えば、浮函５が揺動しない場合であっても、フロート８４が揺動することによりアーム６８を揺動させることができる。

最後に、図６および図７を参照して、実施例５に係る波力発電装置９０について説明する。なお、この場合も重複した記載を避けるべく、異なる部分についてのみ説明する。図６は、実施例５に係る波力発電装置を模式的に表した側面図であり、図７は、実施例５に係る波力発電装置を模式的に表した平面図である。実施例１における波力発電装置１では、複数のアーム部６の長手方向が平行となるように並べて配設したが、実施例５における波力発電装置９０では、複数のアーム部６が放射状となるように配設されている。

具体的に、複数のアーム部６は、円形となる浮函５の天面５ａの中心から、放射状に配設されている（図７参照）。つまり、複数のアーム部６は、各アーム部６の長手方向と天面５ａの径方向とが同方向となるように配設され、また、周方向に等間隔となるように配設されている。そして、各アーム部６は、アーム２６の固定端部側を中心側とし、アーム２６の自由端部側を外周側として配設されている。なお、各アーム部６の構成は、実施例１と同様であるため、説明を省略する。

以上の構成によれば、波の進行方向が変化しても、いずれかのアーム２６の長手方向を波の進行方向に一致させることができるため、いずれかのアーム２６の揺動動作の振幅を大きくすることができる。

なお、実施例１ないし５の波力発電装置１，５０，６０，８０，９０において、発電装置１５を、油圧シリンダ１０、油圧モータ１１および発電機１２により構成したが、揺動するアーム２６の運動エネルギーを電気エネルギーに変換可能であれば、いずれの発電装置１５も適用可能である。このような発電装置１５としては、例えば、圧電素子や人工筋肉等が考えられる。また、揺動するアーム２６の往復運動を回転運動に変換可能な運動変換機構を組み込んでも良い。

また、実施例１ないし５の波力発電装置１，５０，６０，８０，９０において、アーム部６や圧縮バネ７等の各種部材を浮函５の天面５ａに載置したが、これに限らず、浮函５の内部に各種部材を設置可能な載置面を設け、この載置面に各種部材を配設しても良い。

以上のように、本発明に係る波力発電装置は、海上に浮揚する移動型の波力発電装置において有用であり、特に、波力発電装置を海洋上に発生する波に共振させる場合に適している。

実施例１に係る波力発電装置を模式的に表した側面図である。 実施例１に係る波力発電装置のウェイトの位置制御に関するフローチャートである。 実施例２に係る波力発電装置を、波の周期および波高の高さに応じて場合分けした説明図である。 実施例３に係る波力発電装置を模式的に表した側面図である。 実施例４に係る波力発電装置を模式的に表した側面図である。 実施例５に係る波力発電装置を模式的に表した側面図である。 実施例５に係る波力発電装置を模式的に表した平面図である。

符号の説明

１ 波力発電装置
５ 浮函
５ａ 浮函の天面
６ アーム部
７ 圧縮バネ
８ ウェイト
１０ 油圧シリンダ
１１ 油圧モータ
１２ 発電機
１５ 発電装置
２５ 支柱
２６ アーム
２７ 支軸
３０ レール
３１ 走行駆動系
５０ 波力発電装置（実施例２）
５３ シリンダ側レール
５４ 油圧シリンダの走行駆動系
６０ 波力発電装置（実施例３）
６３ ウェイト
６４ 没水盤
６５ 連結部材
６８ アーム
６９ 伸縮機構
８０ 波力発電装置（実施例４）
８３ ウェイト
８４ フロート
８５ 連結部材
９０ 波力発電装置（実施例５）
Ｏ 回帰点

Claims (8)

1. 水上に浮揚可能な浮体と、
   前記浮体に形成された載置面に配設され、一方の端部を支点として、天地方向に回動自在なアームと、
   前記アームと前記載置面とを連結して、前記アームを回帰点を中心に天地方向に揺動させる弾性体と、
   前記浮体に対して相対的に揺動する前記アームの固有振動数を可変する振動数可変手段と、
   前記浮体に対して相対的に揺動する前記アームの運動エネルギーを電気エネルギーに変換可能な発電手段と、を備えたことを特徴とする波力発電装置。
2. 前記振動数可変手段は、前記アームに取り付けられたウェイトと、前記ウェイトを前記アームの長手方向に移動させるウェイト移動手段と、を有していることを特徴とする請求項１に記載の波力発電装置。
3. 前記振動数可変手段は、前記アームに取り付けられたウェイトと、前記アームの長手方向において前記アームの支点と前記ウェイトとの間の長さを可変するアーム長可変手段と、を有していることを特徴とする請求項１に記載の波力発電装置。
4. 前記ウェイトは、水中に没した没水盤と、前記没水盤と前記アームとを連結する連結部材と、で構成されていることを特徴とする請求項３に記載の波力発電装置。
5. 前記ウェイトは、水上に浮揚可能なフロートと、前記フロートと前記アームとを連結する連結部材と、を有していることを特徴とする請求項３に記載の波力発電装置。
6. 前記発電手段は、前記載置面と前記アームとの間に連結されると共に前記アームの揺動動作により作動流体を汲み出し可能なポンプ部と、前記ポンプ部により汲み出された作動流体により駆動可能な駆動部と、前記駆動部の駆動により電気を発生可能な発電部と、を有していることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の波力発電装置。
7. 前記ポンプ部は、前記アームの長手方向に移動可能に設けられていることを特徴とする請求項６に記載の波力発電装置。
8. 前記アームは前記浮体の載置面に複数設けられており、前記複数のアームは、前記載置面の中心から放射状にそれぞれ配設されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の波力発電装置。

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