KR101151505B1 - 풍력발전용 엘리베이터 케이지, 풍력발전용 엘리베이터 및 엘리베이터를 이용한 풍력발전방법 - Google Patents

풍력발전용 엘리베이터 케이지, 풍력발전용 엘리베이터 및 엘리베이터를 이용한 풍력발전방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면, 박스 형상으로서 일측에 출입문을 구비한 케이지 몸체, 회전축과 일단이 회전축에 고정되고 타단이 회전축의 반경 방향 외측을 향하여 연장된 회전 날개를 구비하는 것으로서, 케이지 몸체의 상측 또는 하측의 적어도 일측에 외기와 접하도록 배치되는 로터(rotor) 및 로터의 일측에 배치되어 풍력에 의해 회전되는 회전축의 회전력을 전기 에너지로 변환시켜 전력을 생성하는 발전기(generator)를 포함하는 풍력발전용 엘리베이터 케이지, 풍력발전용 엘리베이터 및 엘리베이터를 이용한 풍력발전방법이 제공된다. 이러한 본 발명에 따르면, 엘리베이터 케이지의 상측 또는 하측의 적어도 일측에 배치된 로터에 의해 엘리베이터의 승하강시 자연스럽게 발생하는 풍력을 이용하여 발전이 가능하므로 건물 내부의 전기 수요처에 전력을 공급할 수 있고, 엘리베이터가 정지 중에도 엘리베이터 피트 내부에 발생하는 연돌효과에 의해 발생하는 풍력으로 로터를 회전시켜 발전이 가능하다.
엘리베이터, 풍력 발전, 케이지, 로터, 발전기, 연돌효과

Description

풍력발전용 엘리베이터 케이지, 풍력발전용 엘리베이터 및 엘리베이터를 이용한 풍력발전방법 {Elevator cage, Elevator for wind power generation and method of generating power using elevator}
본 발명은 풍력발전용 엘리베이터 케이지, 풍력발전용 엘리베이터 및 엘리베이터를 이용한 풍력발전방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 엘리베이터 피트 내부에 발생하는 풍력을 이용하여 발전이 가능한 풍력발전용 엘리베이터 케이지, 풍력발전용 엘리베이터 및 엘리베이터를 이용한 풍력발전방법에 관한 것이다.
신재생 에너지 또는 재생가능 에너지(renewable energy)는 태양열, 태양광, 풍력, 조력, 지열처럼 자연 상태에서 만들어진 에너지 등을 의미한다.
최근 기후 변화와 화석연료 고갈 등의 문제점으로 인해 이러한 재생가능 에너지의 활용은 매우 활발하게 논의되고 있다. 전세계적으로 온실 가스 배출량을 감축시키기 위한 기술개발이 경쟁적으로 진행되고 있으며, 국내에서도 정부가 저탄소 녹색성장이라는 정책 하에 온실 가스 배출 감소를 주도하고 있다.
온실 가스 배출의 큰 비중을 차지하는 건물 부분에서도 온실가스 감축이 점차 의무화될 전망이다. 이를 위해 소위 제로 에너지 건물을 현실적으로 구현하기 위한 다양한 방안들이 모색되고 있다. 특히, 건설 기술이 발전하면서 초고층 건물의 시공은 가능해졌지만, 초고층 건물의 에너지 저감 문제와 탄소 배출량 저감 등의 환경문제의 해결은 아직 미흡한 실정이다.
건물에서의 재생가능 에너지 활용 기술은 주로 태양전지 패널 등을 이용한 태양 에너지의 활용에 집중되고 있다. 주로 건물 외피에 적용 가능한 태양 에너지 뿐만 아니라 건물에 존재하는 다양한 환경적 요소를 이용한 재생가능 에너지 기술의 개발이 시급한 실정이다.
특히, 엘리베이터 피트 내부에는 연돌효과에 의해 바람이 자연스럽게 발생한다. 즉, 동절기에는 연돌효과에 의해 상승 기류가 발생하고, 하절기에는 연돌효과에 의해 하강 기류가 발생한다. 이렇게 엘리베이터 피트 내부에서 연돌효과에 의해 발생하는 바람, 그리고 엘리베이터 피트 내부에서 엘리베이터 케이지의 이동에 의해 발생하는 바람 등은 재생가능 에너지로서 아직 활용되지 못하고 있다는 문제점이 있다.
본 발명은 연돌효과 및 엘리베이터 케이지의 이동에 의해 엘리베이터 피트 내부에 발생하는 바람을 이용하여 발전이 가능한 풍력발전용 엘리베이터 케이지, 풍력발전용 엘리베이터 및 엘리베이터를 이용한 풍력발전방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 풍력발전용 엘리베이터 케이지는 박스 형상으로서 일측에 출입문을 구비한 케이지 몸체; 회전축과, 일단이 상기 회전축에 고정되고 타단이 상기 회전축의 반경 방향 외측을 향하여 연장된 회전 날개를 구비하는 것으로서, 상기 케이지 몸체의 상측 또는 하측의 적어도 일측에 외기와 접하도록 배치되는 로터(rotor); 및 상기 로터의 일측에 배치되어 풍력에 의해 회전되는 상기 회전축의 회전력을 전기 에너지로 변환시켜 전력을 생성하는 발전기(generator)를 포함한다.
여기서, 상기 케이지 몸체에 상기 로터의 외측을 감싸도록 배치되며, 상기 로터가 외기와 접할 수 있도록 복수의 통기공이 형성된 로터 하우징을 더 포함할 수 있다.
아울러, 상기 발전기는 전력이 필요한 수요처와 전기적으로 연결되어, 상기 발전기에 의해 생성된 전력은 상기 수요처에 직접 공급될 수 있다.
나아가, 상기 발전기에 의해 생성된 교류 전력을 직류 전력으로 변환시킬 수 있는 직류/교류 변환부; 및 상기 직류/교류 변환부에서 변환된 직류 전력을 저장하는 축전부를 더 포함할 수 있다.
게다가, 상기 로터는, 상기 케이지 몸체의 상측 또는 하측에 복수로 구비될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전용 엘리베이터는 건물 내측에 수직 방향으로 형성된 엘리베이터 피트(pit) 내부에 배치된 가이드 레일들(guide rails) 상에서 수직 방향으로 이동가능하도록 배치되는 엘리베이터 케이지; 구동부를 구비하고, 상기 엘리베이터 피트의 상측에 고정 배치되는 권상기; 일단이 상기 엘리베이터 케이지의 상측에 고정되고, 상기 권상기에 감겨져서 상기 구동부에 의해 양단이 승강되는 메인 로프; 및 상측에 상기 메인 로프의 타단이 고정되며, 상기 메인 로프에 의해 상기 엘리베이터 케이지와 이격되어 상기 엘리베이터 케이지와 반대 방향으로 수직 운동하는 균형추(counter weight)를 포함하는 것으로서, 상기 엘리베이터 케이지는, 박스 형상으로서 일측에 출입문을 구비한 케이지 몸체; 회전축과, 일단이 상기 회전축에 고정되고 타단이 상기 회전축의 반경 방향 외측을 향하여 연장된 회전 날개를 구비하는 것으로서, 상기 케이지 몸체의 상측 또는 하측의 적어도 일측에 외기와 접하도록 배치되는 로터; 및 상기 로터의 일측에 배치되어 풍력에 의해 회전되는 상기 회전축의 회전력을 전기 에너지로 변환시켜 전력을 생성하는 발전기를 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 엘리베이터를 이용한 풍력발전방법은 엘리베이터 케이지의 상측 또는 하측의 적어도 일측에 외기와 접하도록 로터를 배치하는 단계; 엘리베이터의 승하강시 발생하는 풍력 및 엘리베이터 피트 내부의 연돌효과(stack effect)에 의해 발생하는 풍력 중 적어도 어느 하나에 의해 상기 로터를 회전시키는 단계; 및 상기 로터의 일측에 배치된 발전기에 의해 회전하는 상기 로터의 회전력을 전기 에너지로 변환시켜 전력을 생성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 의한 풍력발전용 엘리베이터 케이지, 풍력발전용 엘리베이터 및 엘리베이터를 이용한 풍력발전방법에 따르면,
첫째, 엘리베이터 케이지의 상측 또는 하측의 적어도 일측에 배치된 로터에 의해 엘리베이터의 승하강시 자연스럽게 발생하는 풍력을 이용하여 발전이 가능하므로 건물 내부의 전기 수요처에 전력을 공급할 수 있다.
둘째, 엘리베이터가 정지 중에도 엘리베이터 피트 내부에 발생하는 연돌효과에 의해 발생하는 풍력으로 로터를 회전시켜 발전이 가능하다.
셋째, 엘리베이터가 다수 사용되고 연돌효과가 크게 발생하는 초고층 건물에서 사용되는 경우에 풍력 발전의 효과를 극대화할 수 있다.
넷째, 로터 하우징을 구비하여 로터에 대한 안전과 유지 보수 문제를 해결할 수 있다.
다섯째, 발전기에 의해 생성된 전력을 저장하는 축전부를 구비하여 전력을 저장하였다가 필요한 경우에 전력을 사용할 수 있는 효과가 있다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전용 엘리베이터 케이지 및 풍력발전용 엘리베이터에 대해 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전용 엘리베이터를 나타낸 종단면도, 도 2는 도 1에 도시된 풍력발전용 엘리베이터 케이지의 분해사시도, 도 3 및 도 4는 각각 도 2에 도시된 로터의 다른 실시예를 나타낸 평면도이다.
먼저, 도 2를 참고하면 풍력발전용 엘리베이터는 엘리베이터 케이지(100), 권상기(200), 메인 로프(300) 및 균형추(counter weight)(400)를 포함한다.
엘리베이터 케이지(100)는 건물 내측에 수직 방향으로 형성된 엘리베이터 피트(pit)(P) 내부에 배치된 가이드 레일들(guide rails)(GR) 상에서 수직 방향으로 이동가능하도록 배치된다.
권상기(200)는 구동부(210)를 구비하고, 엘리베이터 피트(P)의 상측에 고정 배치되며, 메인 로프(300)를 양방향으로 승강시킬 수 있다. 권상기(200)는 더욱 상 세하게는 구동부(210)와 구동 쉬브(220), 디플렉터 쉬브(230) 등을 포함하지만, 공지된 기술이므로 구체적인 설명은 생략한다.
메인 로프(300)는 그 일단이 엘리베이터 케이지(100)의 상측에 고정되고, 그 타단이 균형추(counter weight)(400)의 상측에 고정된다. 메인 로프(300)는 권상기(200)에 감겨져서 권상기(200)의 구동부(210)에 의해 그 양단이 승강된다.
균형추(counter weight)(400)는 메인 로프(300)에 의해 엘리베이터 케이지(100)와 이격되어 엘리베이터 케이지(100)와 반대 방향으로 수직 운동한다.
또한, 도 2를 참조하여 풍력발전용 엘리베이터 케이지(100)를 더욱 상세하게 설명하면, 케이지 몸체(110), 로터(rotor)(120) 및 발전기(generator)(130)를 포함한다.
케이지 몸체(110)는 박스 형상으로서 일측에 출입문(D)을 구비한다.
로터(120)는 회전축(121)과 회전 날개(122)를 구비하는 것으로서, 케이지 몸체(110)의 상측 또는 하측의 적어도 일측에 외기와 접하도록 배치된다. 로터(120)의 회전 날개(122)는 그 일단이 회전축(121)에 고정되고, 그 타단이 회전축(121)의 반경 방향 외측을 향하여 연장된다.
로터(120)는 필요에 따라 케이지 몸체(110)의 상측에만 배치될 수도 있고, 하측에만 배치될 수도 있으며, 상하측 모두에 배치될 수도 있다. 본 발명의 실시예에서는 로터(120)가 케이지 몸체(110)의 상하측 모두에 배치된 것을 예로 든다.
이때, 엘리베이터 케이지(100)는 케이지 몸체(110)에 로터(120)의 외측을 감싸도록 배치되며, 외기와 접할 수 있도록 복수의 통기공(141)이 형성된 로터 하우 징(140)을 포함할 수 있다. 로터 하우징(140)의 형상은 다양한 형상이 선택될 수 있으며, 본 실시예에서는 와이어가 수직으로 서로 얽혀 통기공(141)이 형성된 형상이 도시되어 있다. 이렇게 로터 하우징(140)을 구비하여 로터(120)에 대한 안전과 유지 보수 문제 등을 해결할 수 있다.
또한, 로터(120)는 도 3에 도시된 것처럼 케이지 몸체(110)의 일측에 한 개만 배치될 수 있고, 도 4에 도시된 것처럼 케이지 몸체(110)의 일측에 복수로 구비될 수도 있다. 이는 엘리베이터에 의해 발생하는 풍량과 발전기(130)에 의해 발생하는 전력 발생량 등에 의해 결정될 수 있다.
발전기(130)는 로터(120)의 일측에 배치되어 풍력에 의해 회전되는 회전축(121)의 회전력을 전기 에너지로 변환시켜 전력을 생성한다.
발전기(130)는 전력이 필요한 수요처와 전기적으로 연결되어, 발전기(130)에 의해 생성된 전력은 수요처에 직접 공급될 수 있다. 건물에는 전력이 필요한 수요처가 셀 수 없을 정도로 존재한다. 예를 들면, 엘리베이터 케이지(100) 내부의 디스플레이 장치, 엘리베이터 승강장의 디스플레이 장치, 각종 부하, 환풍기, 건물 내측의 전등, 건물 외측의 전등 등이 그것이다. 특히 건물 공용부에 필요한 전력 수요처에 공급되어 공용부의 전력 수요의 일부를 감당할 수 있다.
또는, 도 2에 도시된 것처럼, 엘리베이터 케이지(100)는 그 일측에 발전기(130)에 의해 생성된 교류 전력을 직류 전력으로 변환시킬 수 있는 직류/교류 변환부(151) 및 직류/교류 변환부(151)에서 변환된 직류 전력을 저장하는 축전부(152)를 더 포함할 수 있다. 이러한 직류/교류 변환부(151)와 축전부(152)는 엘 리베이터 케이지(100)에 배치될 수도 있고, 엘리베이터 기계실이나 전기실에도 필요한 경우 배치될 수 있다.
축전부(152)에 저장된 전력은, 건물의 정전 발생 등과 같은 상황에서 비상 전력원으로서 사용될 수도 있다. 즉, 발전기(130)에 의해 생성된 전기는 직류/교류 변환부(151)에 의해 저장할 수 있는 형태의 전원인 직류전원으로 변환되어 축전부(152)에 저장된다. 축전부(152)에 저장된 직류전원은 다시 필요한 경우 직류 전력을 교류 전력으로 변환시킬 수 있는 또 다른 직류/교류 변환부에 의해 교류 전력으로 변환되어 수요처에 공급될 수 있다.
이와 같이, 발전기(130)에 의하여 발전된 전기는 건물 내의 여러 전기 장치 등의 전력 수요처로 공급되어 건물 자체에서 소비되는 전력을 충당할 수도 있고, 축전부(152)에 저장되어 필요한 경우 비상용 전원으로도 활용될 수도 있다.
본 실시예에서는 한대의 엘리베이터를 예시하였지만, 엘리베이터가 여러 대 사용되는 건물의 경우에는 각각의 엘리베이터마다 사용이 가능하다. 더욱이 초고층 빌딩의 경우에는 엘리베이터의 개수와 엘리베이터의 운행 회수가 훨씬 많기 때문에 이러한 전력 생산의 규모가 더욱 커질 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전용 엘리베이터의 작동 원리에 대해 설명한다. 도 5 내지 도 7은 각각 도 1에 도시된 풍력발전용 엘리베이터의 작동 개념을 나타낸 종단면도이다.
먼저, 도 5에는 엘리베이터 케이지가 상승하는 경우가 도시되어 있다. 즉, 엘리베이터 케이지(100)가 상승하면서 엘리베이터 케이지(100)에는 아래쪽을 향하 는 풍력이 전달된다. 이러한 풍력에 의해 주로 엘리베이터 케이지(100) 상측에 배치된 로터(120)가 회전되고, 그 회전력에 의해 발전기(130)에서 전력이 생산된다.
반대로, 도 6에는 엘리베이터 케이지가 하강하는 경우가 도시되어 있다. 즉, 엘리베이터 케이지(100)가 하강하면서 엘리베이터 케이지(100)에는 윗쪽을 향하는 풍력이 전달된다. 이러한 풍력에 의해 주로 엘리베이터 케이지(100) 하측에 배치된 로터(120)가 회전되고, 그 회전력에 의해 발전기(130)에서 전력이 생산된다.
뿐만 아니라, 도 7에 도시된 것처럼 엘리베이터가 정지 중에도 엘리베이터 피트(P) 내부에는 발생하는 연돌효과가 발생한다. 예를 들면, 동절기에는 연돌효과에 의해 엘리베이터 피트(P) 내부에는 상승 기류가 발생하고, 하절기에는 연돌효과에 의해 엘리베이터 피트(P) 내부에 하강 기류가 발생한다. 이렇게 상승하는 풍력에 의해서도 로터(120)를 회전시켜 발전이 가능하다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 엘리베이터를 이용한 풍력발전방법을 설명한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 엘리베이터를 이용한 풍력발전방법을 나타낸 흐름도이다. 도 8을 참조하면, 엘리베이터를 이용한 풍력발전방법은 단계 S10 내지 단계 S30을 포함한다.
단계 S10에서는 엘리베이터 케이지(100)의 상측 또는 하측의 적어도 일측에 외기와 접하도록 로터(120)를 배치한다.
단계 S20에서는 엘리베이터의 승하강시 발생하는 풍력 및/또는 엘리베이터 피트(P) 내부의 연돌효과(stack effect)에 의해 발생하는 풍력에 의해 상기 로터(120)를 회전시킨다.
단계 S30에서는 로터(120)의 일측에 배치된 발전기(130)에 의해 회전하는 상기 로터(120)의 회전력을 전기 에너지로 변환시켜 전력을 생성하는 단계를 포함한다.
이렇게 본 발명의 실시예에 따르면, 엘리베이터 케이지(100)의 상측 또는 하측의 적어도 일측에 배치된 로터(120)에 의해 엘리베이터의 승하강시 자연스럽게 발생하는 풍력을 이용하여 발전이 가능하므로 건물 내부의 전기 수요처에 전력을 공급할 수 있다. 또한, 엘리베이터가 정지 중에도 엘리베이터 피트(P) 내부에 발생하는 연돌효과에 의해 발생하는 풍력으로 로터(120)를 회전시켜 발전이 가능하다. 또한, 엘리베이터가 다수 사용되고 연돌효과가 크게 발생하는 초고층 건물에서 사용되는 경우에 풍력 발전의 효과를 극대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전용 엘리베이터를 나타낸 종단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 풍력발전용 엘리베이터 케이지의 분해사시도이다.
도 3 및 도 4는 각각 도 2에 도시된 로터의 다른 실시예를 나타낸 평면도이다.
도 5 내지 도 7은 각각 도 1에 도시된 풍력발전용 엘리베이터의 작동 개념을 나타낸 종단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 엘리베이터를 이용한 풍력발전방법을 나타낸 흐름도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
100...엘리베이터 케이지 110...케이지 몸체
120...로터 130...발전기
200...권상기 300...메인 로프
400...균형추

Claims (7)

  1. 박스 형상으로서 일측에 출입문을 구비한 케이지 몸체;
    회전축과, 일단이 상기 회전축에 고정되고 타단이 상기 회전축의 반경 방향 외측을 향하여 연장된 회전 날개를 구비하는 것으로서, 상기 케이지 몸체의 상측 또는 하측의 적어도 일측에 외기와 접하도록 배치되는 로터(rotor); 및
    상기 로터의 일측에 배치되어 풍력에 의해 회전되는 상기 회전축의 회전력을 전기 에너지로 변환시켜 전력을 생성하는 발전기(generator)를 포함하되,
    상기 케이지 몸체에 상기 로터의 외측을 감싸도록 배치되며, 상기 로터가 외기와 접할 수 있도록 복수의 통기공이 형성된 로터 하우징을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전용 엘리베이터 케이지.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 발전기는 전력이 필요한 수요처와 전기적으로 연결되어, 상기 발전기에 의해 생성된 전력은 상기 수요처에 직접 공급되는 것을 특징으로 하는 풍력발전용 엘리베이터 케이지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 발전기에 의해 생성된 교류 전력을 직류 전력으로 변환시킬 수 있는 직류/교류 변환부; 및
    상기 직류/교류 변환부에서 변환된 직류 전력을 저장하는 축전부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전용 엘리베이터 케이지.
  5. 청구항 1, 청구항 3 및 청구항 4 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 로터는,
    상기 케이지 몸체의 상측 또는 하측에 복수로 구비되는 것을 특징으로 하는 풍력발전용 엘리베이터 케이지.
  6. 건물 내측에 수직 방향으로 형성된 엘리베이터 피트(pit) 내부에 배치된 가이드 레일들(guide rails) 상에서 수직 방향으로 이동가능하도록 배치되는 엘리베이터 케이지;
    구동부를 구비하고, 상기 엘리베이터 피트의 상측에 고정 배치되는 권상기;
    일단이 상기 엘리베이터 케이지의 상측에 고정되고, 상기 권상기에 감겨져서 상기 구동부에 의해 양단이 승강되는 메인 로프; 및
    상측에 상기 메인 로프의 타단이 고정되며, 상기 메인 로프에 의해 상기 엘리베이터 케이지와 이격되어 상기 엘리베이터 케이지와 반대 방향으로 수직 운동하는 균형추(counter weight)를 포함하는 것으로서,
    상기 엘리베이터 케이지는,
    박스 형상으로서 일측에 출입문을 구비한 케이지 몸체;
    회전축과, 일단이 상기 회전축에 고정되고 타단이 상기 회전축의 반경 방향 외측을 향하여 연장된 회전 날개를 구비하는 것으로서, 상기 케이지 몸체의 상측 또는 하측의 적어도 일측에 외기와 접하도록 배치되는 로터; 및
    상기 로터의 일측에 배치되어 풍력에 의해 회전되는 상기 회전축의 회전력을 전기 에너지로 변환시켜 전력을 생성하는 발전기를 포함하는 풍력발전용 엘리베이터.
  7. 엘리베이터 케이지의 상측 또는 하측의 적어도 일측에 외기와 접하도록 로터를 배치하는 단계;
    엘리베이터의 승하강시 발생하는 풍력 및 엘리베이터 피트 내부의 연돌효과(stack effect)에 의해 발생하는 풍력 중 적어도 어느 하나에 의해 상기 로터를 회전시키는 단계; 및
    상기 로터의 일측에 배치된 발전기에 의해 회전하는 상기 로터의 회전력을 전기 에너지로 변환시켜 전력을 생성하는 단계를 포함하는 엘리베이터를 이용한 풍력발전방법.
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