KR101655555B1 - 태양전지 활용 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양전지 모듈을 장착한 차량의 경우, 태양전지 모듈을 통해 발생하는 전기 에너지를 이용하는 태양전지 활용 시스템 및 방법에 관한 것으로, 차량의 엔진 정지 여부를 판단하고 가감속 주행에 따라 태양전지 회로와 엔진작동회로의 연결을 제어하고, 사용자의 설정 및 배터리 충전용량에 따라 부하부에 전기 에너지를 제공하여 가동하는바, 배터리 충전과 부하부 가동시 태양전지를 통해 발생하는 전기에너지의 효율적 사용을 통해 연비 상승 및 전력의 효율적으로 운용할 수 있는 태양전지 활용 시스템 및 방법을 제공한다.

Description

태양전지 활용 시스템 및 방법{System for using solar cell and the method the same}
본 발명은 자동차용 태양전지 활용 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양광을 전기에너지로 전환하는 태양전지를 장착한 자동차에 구비되어 상기 태양전지로부터 출력되는 전기에너지를 다양하게 활용하는 태양전지 활용 시스템 및 방법에 관한 것이다.
태양전지는 태양광을 전기에너지로 변환하는 광전변환소자이다. 종래에는 태양전지로 단결정 또는 다결정의 실리콘 태양전지가 많이 사용되어 왔다. 그러나 실리콘 태양전지는 제조시에 대형의 고가 장비가 사용되고 원료가격이 고가이어서 제조비용이 높고, 태양 에너지를 전기에너지로 변환할 때의 효율을 개선하는데도 한계가 있어 새로운 대안이 모색되었다. 이에 실리콘 태양전지의 대안으로 저가로 제조할 수 있는 유기재료를 사용한 태양전지에 대한 관심이 집중되고 있는데, 특히 제조비용이 매우 저렴한 염료감응 태양전지가 많은 주목을 받고 있는 실정이다.
태양전지는 다른 에너지원과 달리 무한하고 환경친화적이므로, 시간이 갈수록 그 중요성이 높아지고 있고 그 활용 분야도 넓어지고 있는 추세이다. 자동차 업계도 이와 같은 추세에 편승하여 태양전지 및 이로부터 출력된 전기에너지의 활용 시스템을 탑재한 자동차를 개발 및 출시하고 있다.
다만, 태양전지를 장착한 자동차의 경우, 출력되는 태양전지의 활용성 측면에서 문제점이 존재한다.
선행문헌 미국 공개특허 2012-0096885호 (이하 문헌 1)의 경우, 태양전지에 의한 전력을 이용한 공조시스템 작동방법을 제공하고 있다.
다만, 문헌 1의 경우에도, 태양전지를 통해 발생한 전력을 이용한 차량용 배터리의 충전 조건을 판단하거나, 주행단계에서 엔진의 출력에 의한 배터리를 충전하는 방식의 대안을 제공하지 못하고 있다. 즉, 태양전지를 통해 제공된 전력의 효율적 활용방법을 제시하지 못하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 태양전지를 장착한 차량의 경우, 태양전지를 통해 발생하는 전기 에너지를 이용하여 배터리를 충전하거나, 제어부의 설정에 따라서 부하부에 전기 에너지를 제공하는바, 배터리 충전에 있어서, 엔진의 얼터네이터를 통한 배터리 충전 빈도를 제한하여 연비 상승 및 전력의 효율적으로 운용할 수 있는 태양전지 활용 시스템 및 방법을 제공한다.
본 발명은 태양광을 전기에너지로 변환하는 태양전지모듈, 전기에너지에 의해 충전되는 배터리, 차량의 엔진 작동에 의해 발생하는 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하여 제공하는 엔진작동회로, 상기 태양전지모듈을 통해 발생하는 전기에너지를 제공하는 태양전지 회로 및 측정된 상기 배터리의 충전량, 차량의 주행 여부 및 차량의 가속도에 따라 상기 회로들과 배터리 또는 부하부와 연결을 제어하는 차량의 제어부;를 포함하는 태양전지 활용 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제어부는 상기 차량의 엔진의 정지시, 상기 배터리의 충전량이 제 1설정값 이상에서, 부하부 구동요청에 따라 상기 태양전지회로를 연결하여 상기 태양전지 모듈로부터 발생하는 전기에너지를 상기 부하부에 제공하는 것을 특징으로 하는 태양전지 활용 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제어부는 상기 배터리의 충전량이 제 1설정값보다 작거나, 상기 차량의 엔진의 정지시 부하부 구동요청이 없는 경우, 상기 태양전지회로와 상기 배터리와 연결하여 상기 배터리부의 최대 배터리 용량을 유지하도록 충전하는 것을 특징으로 하는 태양전지 활용 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제어부는 상기 차량의 가속 주행시, 상기 엔진작동회로를 연결하여 상기 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 태양전지 활용 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제어부는 상기 차량의 감속 또는 정속주행시, 상기 태양전지 회로를 연결하여 상기 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 태양전지 활용 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제어부는 상기 태양전지 모듈의 발전 전력을 측정하여, 상기 발전 전력이 미리 설정된 제 2설정값 보다 작은 경우, 상기 엔진작동회로를 연결하여 상기 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 태양전지 활용 시스템.
또한, a)차량의 엔진 구동을 판단하는 단계, b)상기 차량의 엔진이 정지된 경우, 제어부에 저장된 부하부 구동요청을 판단하는 단계, c)상기 부하부 구동요청이 존재하는 경우, 태양전지 회로를 상기 부하부와 연결하여 상기 부하부를 작동시키는 단계 및 d)상기 부하부 구동요청이 존재하지 않는 경우, 상기 태양전지 회로와 상기 배터리를 연결하여 상기 배터리 최대충전량까지 충전을 수행하는 단계;를 포함하는 태양전지 활용 방법을 제공한다.
또한, 상기 a) 단계에서, 상기 차량의 엔진이 작동중인 경우, a1)상기 차량의 가속 여부를 판단하는 단계, a2)상기 차량이 가속 주행을 수행하는 경우, 엔진작동회로와 상기 배터리를 연결하여 상기 배터리를 충전하는 단계 및 a3)상기 차량이 정속 주행 또는 감속 주행을 수행하는 경우, 상기 태양전지 회로와 상기 배터리를 연결하여 상기 배터리를 충전하는 단계를 포함하는 태양전지 활용 방법을 제공한다.
또한, 상기 a3)단계에서, 상기 태양전기 모듈의 발전 전력을 측정하여, 상기 발전 전력이 미리 설정된 제 2설정값 보다 작은 경우, 상기 엔진작동회로를 연결하여 상기 배터리를 충전하는 단계를 더 포함하는 태양전지 활용 방법을 제공한다.
또한, 상기 b)단계에서, 상기 부하부 구동요청 판단은, b1)상기 배터리 충전 용량이 제 1설정값 이상에서 상기 차량의 실내온도가 30℃ 이상인지 판단하는 단계, b2)상기 배터리 충전 용량이 제 1설정값 이상에서 상기 차량의 실내온도가 30℃ 이상인 경우, 공조기를 가동시키는 단계, b3)상기 차량 외부의 비가 내리는지 판단하는 단계, b4)상기 차량 외부에 비가 내리지 않는 경우, 선루프 개방을 수행하는 단계를 포함하는 태양전지 활용 방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 태양전지가 장착된 차량의 엔진 구동중 차량의 가속을 수행하는 경우, 얼터네이터를 통한 배터리의 충전이 이루어지나, 차량의 감속 시 또는 정속 주행시에 배터리의 발전 전력에 따라 배터리를 충전할 수 있는바, 배터리 충전시 연비 효율 상승을 제공할 수 있다.
또한, 차량이 엔진 정지 상태에서, 운전자의 설정 또는 부하부의 요청에 따라, 태양전지로부터 발생하는 전력을 이용하여 부하부의 동작을 제공하는바, 배터리의 충전량의 변화없이 전력을 이용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 태양전지로부터 발생하는 전력에 의해 부하부를 작동할 수 있는바, 부하부의 하나인 공조기 및 열선의 제어를 통해 차량에 탑승하는 운전자에게 쾌적한 실내 온도를 제공할 수 있다.
도 1은 엔진 정지시 태양전지 회로를 통해 배터리 충전을 수행하거나, 부하부의 작동을 수행하는 시스템을 도시하고 있다.
도 2는 차량의 가속 주행시 엔진작동회로의 얼터네이터에 의해 배터리를 충전하는 시스템을 도시하고 있다.
도 3은 차량의 정속 주행 또는 감속 주행시 태양전지 회로를 통해 배터리를 충전하는 시스템을 도시하고 있다.
도 4는 태양전지 활용 방법에 대한 흐름도를 도시하고 있다.
도 5는 실내온도 및 배터리 충전용량에 따른 부하부 작동조건을 판단하는 흐름도를 도시하고 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.
본 발명은 태양전지를 장착한 차량의 전력 운용에 관한 것으로, 차량의 엔진(11) 정지 단계에서 운전자의 설정 또는 부하부(32)의 요청에 따라 태양전지로부터 발생하는 전력을 운용하는 태양전지 시스템을 제공한다. 더욱이, 본 발명은 차량의 감속시 또는 정속 주행시 태양전지 모듈(21)로부터 발생하는 전기 에너지를 이용하는 기술을 제공한다. 따라서, 태양전지 모듈(21)로부터 발생하는 전기 에너지의 운용을 제공하여, 엔진(11) 구동에 따른 연비 상승효과를 제공한다.
태양광을 전기에너지로 전환하는 태양전지 모듈(21)을 포함하고 있는 차량의 시스템을 대상으로 한다. 태양전지의 경우, 차량의 루프패널에 장착이 가능하다. 상기 루프패널에 장착된 태양전지의 경우, 비정질 실리콘 태양전지 또는 결정질 실리콘 태양전지로 구성될 수 있다. 더 바람직하게, 염료감응 태양전지, 비정질 실리콘 태양전지, 페로브스카이트계 태양전지, 유기태양전지, 카드륨-테릴륨(CdTe) 태양전지, 구리-인듐-갈륨-셀레늄(CIGS) 태양전지 등 화합물계의 태양전지를 개별적으로 또는 혼합하여 태양전지를 구성할 수 있다.
도 1의 경우, 태양전지가 장착된 차량의 회로 구성을 도시하고 있다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에서, 본 발명의 차량의 엔진(11)과 연결되고 엔진(11)으로부터 발생하는 기계적 에너지를 전기 에너지로 전환할 수 있는 얼터네이터(12)를 포함하는 엔진동력회로(11)로 구성된다. 더욱이, 태양전지 모듈(21)을 포함하고, 태양전지로부터 발생되는 전력을 제어하기 위한 최대전력 추종 제어(Maximum Power Point Tracking:MPPT) 컨트롤러 및 DC 컨트롤 유닛을 포함하는 태양전지 회로를 포함하여 구성된다.
상기 태양전지 회로(20)와 엔진구동회로와 연결되는 배터리의 경우, 배터리(31) 충전량(state of charge)을 측정할 수 있는 센서가 포함될 수 있다. 배터리(31)의 충전량을 측정하는 센서의 경우, 제어부에 상기 측정값을 송신할 수 있다. 상기 베터리의 경우, 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 상기 배터리(31)의 경우, 12V의 최대충전량을 갖는다. 다만, 본 발명에 사용되는 배터리(31)는 차량에 장착할 수 있는 모든 배터리(31)를 포함한다.
제어부의 경우, 태양전지 회로 및 엔진구동회로(11)의 연결을 제어할 수 있다. 더욱이, 배터리(31)의 충전량의 측정값을 수신하고, 각각 회로와의 연결을 통해 배터리(31) 충전을 수행할 수 있다. 또한, 부하부(32)와 연결되어, 부하부(32)의 동작을 제어할 수 있으며, 부하부(32)의 구동요청에 따라 다수의 센서와 연결되어, 상기 다수의 센서로부터 측정된 데이터를 수집 및 저장할 수 있다.
본 발명의 제어부는 차량의 엔진(11) 동작 여부를 판단하고, 차량의 가속센서를 통해 차량의 감가속 여부를 판단할 수 있다. 또한, 부하부(32)의 구동 요청 조건을 저장하고, 상기 조건이 만족되는 경우, 태양전지 회로(20)와 부하부(32)를 연결한다. 바람직한 일 실시예에 있어서, 엔진(11)이 정지된 상태에서, 배터리(31)의 충전량이 제어부(30)에 저장된 제 1설정값 이상에서, 차량 내 실내온도가 30℃를 넘는 경우, 부하부(32)로서 공조기를 작동하고, 추가적으로 비가 내리지 않을 경우, 부하부(32)의 선루프를 개방하여 실내 환기를 제공하는 조건을 포함하고 있는바, 위 설정된 조건은 제어부에 저장된다.
더욱이, 제어부는 배터리(31)의 충전 조건을 포함하고 있는바, 차량의 가속 조건에 따라 엔진작동회로(10)와 배터리(31)를 연결하여 배터리(31)를 충전하고, 차량의 감속 조건 또는 정속 주행 조건에 따라 태양전지 회로(20)와 배터리(31)를 연결하여 배터리(31)를 충전한다. 다만, 제어부는 감속 조건 또는 정속 주행 조건에 따라 태양전지 회로(20)와 배터리(31)를 연결하여 배터리(31)를 충전하는 경우, 태양전지 회로(20)를 통해 발생하는 전력을 측정할 수 있으며, 제어부에 미리 설정된 제 2설정값 보다 태양전지 회로(20)를 통해 발생하는 전력이 낮은 경우, 엔진작동회로(10)와 배터리(31)를 연결하여 배터리(31) 충전을 수행한다.
도 2의 경우, 차량의 가속 주행시 배터리(31)를 충전하는 시스템을 도시하고 있다. 차량의 가속 단계에서 엔진(11)과 연결된 얼터네이터(12)를 통해 엔진(11)의 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는바, 엔진작동회로(10)를 통해 배터리(31)를 충전한다. 이 경우, 배터리(31)의 중복 충전 방지를 위해 태양전지 회로(20)의 구성은 배터리(31)와 개방된 상태를 유지하는바, 태양전지 회로(20)에 의해 배터리(31)는 중복 충전되지 않는다.
도 3의 경우, 차량의 감속 주행시 또는 정속 주행시 배터리(31)를 충전하는 시스템을 도시하고 있다. 상기와 같이, 차량의 감속 또는 정속 주행에 있어서, 배터리(31)의 과도한 충전을 요구하지 않는바, 제어부(30)는 태양전지 회로(20)를 배터리(31)와 연결하여 태양전지로부터 발생하는 전기에너지를 이용하여 배터리(31) 충전을 수행한다. 또한, 중복 충전을 방지하고, 엔진(11)을 이용한 얼터네이터(12) 충전 빈도를 감소하여 엔진(11) 구동에 따른 연료소모를 절감할 수 있다.
도 4의 경우, 차량의 태양전지 전력활용 방법에 대한 흐름도를 도시하고 있다.
차량의 엔진(11) 구동 여부를 판단하고(S101), 엔진(11) 정지시 제어부(30)에 저장되어 있는 부하부(32) 구동요청을 판단한다(S102). 상기 부하부(32) 구동요청 판단의 경우, 본 발명의 일 실시예에서, 배터리(31)의 충전량이 제 1설정값 이상인 경우에 사용자의 설정에 의한 공조기 및 선루프 개방 작동을 포함한다. 상기 부하부(32) 작동 조건이 설정되어 있는 경우, 태양전지회로와 부하부(32)를 연결하여 태양전지 모듈(21)로부터 발생하는 전기에너지를 이용하여 부하부(32)를 가동한다(S103). 상기 부하부(32) 구동요청이 설정되어 있지 않은 경우, 배터리(31)의 최대충전량을 유지할 수 있도록 태양전지회로를 배터리(31)와 연결한다(S104).
차량의 엔진(11)이 구동되는 경우, 차량의 가속주행 여부를 판단한다(S105). 차량의 가속 주행으로 판단되면 엔진작동회로(10)를 배터리(31)와 연결하는바(S107), 엔진작동회로(10)의 구성으로서 얼터네이터(12)를 통해 엔진(11)의 기계적 에너지를 전기에너지로 전환하여 배터리(31)를 충전한다. 차량이 감속 주행을 하거나, 정속 주행시 태양전지 회로(20)와 배터리(31)를 연결하여 태양전지 모듈(21)로부터 발생하는 전기에너지를 이용, 배터리(31)를 충전한다(S106).
부하부(32) 구동요청 판단 시, 사용자의 의사에 따라 입력되거나, 설정된 작동 설정을 의미한다. 본 발명의 일 실시예로서, 차량의 정지 상태에서 실내온도가 30℃ 이상인 경우 부하부(32)를 동작시킨다. 더욱이, 부하부(32) 구동요청 판단으로서, 배터리(31)의 충전량을 판단하는바, 제 1설정값 이하의 배터리(31) 충전량을 갖는 경우, 상기 사용자의 입력 또는 설정이 있어도 부하부(32)를 동작시키지 않는다. 이는 배터리(31)의 충전용량을 제 1설정값 이상으로 유지하기 위함이다. 상기 부하부(32)의 경우, 라디오, 공기청정기, 열선시트, 선루프 모터 및 공조기를 포함한다.
도 6의 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 부하부(32) 구동요청 판단을 도시하고 있다. 이는 차량의 엔진(11) 정지 상태에서, 실내온도에 따라 태양전지 회로(20)와 부하부(32)의 연결을 구성한다. 도 5의 부하부(32) 구동요청 판단을 판단함에 있어서, 차량의 엔진(11) 정지상태에서 배터리(31)가 제 1설정값 이상의 충전용량을 갖고, 실내온도가 30℃보다 높은 온도를 갖는지 판단한다. 배터리(31) 충전용량이 제 1설정값 보다 크고, 차량의 실내온도가 30℃보다 높은 경우(S201), 제어부(30)는 태양전지 회로(20)를 부하부(32)와 연결하여, 부하부(32)를 가동한다. 실내온도 조건을 포함하는 실시예에 있어서, 상기 부하부(32)는 차량의 공조기를 대상으로 한다. 따라서, 부하부(32) 작동 조건을 만족할 경우, 공조기의 가동을 수행한다(S202).
차량의 공조기를 가동하는 경우, 레인센서를 통해 차량의 외부 환경을 측정, 비가오는지 판단한다(S203). 외부의 비가 내리지 않는 경우, 제어부(30)는 선루프 모터를 작동시켜 선루프를 개방하여 차량의 외부환기를 수행한다(S204).
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10: 엔진작동회로
11: 엔진
12: 얼터네이터
20: 태양전지 회로
21: 태양전지 모듈
30: 제어부
31: 배터리
32: 부하부

Claims (10)

  1. 태양광을 전기에너지로 변환하는 태양전지모듈;
    상기 태양전지모듈을 통해 발생하는 전기에너지를 제공하는 태양전지 회로;
    차량의 엔진 작동에 의해 발생하는 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하여 제공하는 엔진작동회로;
    상기 태양전지 회로 또는 엔진작동회로가 제공하는 전기에너지에 의해 충전되는 배터리;
    상기 배터리의 충전량과 차량의 주행 여부 및 차량의 가속도에 따라, 상기 엔진작동회로와 태양전지 회로가 배터리 또는 부하부와 연결되도록 제어하는 차량의 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는 차량의 가속 주행 조건에 따라 배터리 충전을 위해 엔진과 연결된 얼터네이터를 통해 엔진의 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하여 상기 엔진작동회로와 배터리를 연결하는 제어를 하고,
    차량의 감속 또는 정속 주행 조건에 따라 배터리 충전을 위해 엔진을 이용한 상기 얼터네이터 충전 빈도가 감소하도록 상기 태양전지 회로와 배터리를 연결하는 제어를 하며, 상기 태양전지 모듈의 발전 전력을 측정하여 상기 발전 전력이 미리 설정된 제 2설정값 보다 작은 경우, 상기 얼터네이터를 통해 상기 엔진작동회로를 연결하여 상기 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 태양전지 활용 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 차량의 엔진의 정지시, 상기 배터리의 충전량이 제 1설정값 이상에서, 부하부 구동요청에 따라 상기 태양전지회로를 연결하여 상기 태양전지 모듈로부터 발생하는 전기에너지를 상기 부하부에 제공하는 것을 특징으로 하는 태양전지 활용 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 배터리의 충전량이 제 1설정값보다 작거나, 상기 차량의 엔진의 정지시 부하부 구동요청이 없는 경우, 상기 태양전지회로와 상기 배터리와 연결하여 상기 배터리의 최대 배터리 용량을 유지하도록 충전하는 것을 특징으로 하는 태양전지 활용 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. a)차량의 엔진 구동을 판단하는 단계;
    b)상기 차량의 엔진이 정지된 경우, 제어부에 저장된 부하부 구동요청을 판단하는 단계;
    c)상기 부하부 구동요청이 존재하는 경우, 태양전지 회로를 상기 부하부와 연결하여 상기 태양전지 회로가 제공하는 전기에너지에 의해 상기 부하부를 작동시키는 단계; 및
    d)상기 부하부 구동요청이 존재하지 않는 경우, 상기 태양전지 회로와 배터리를 연결하여 상기 태양전지 회로가 제공하는 전기에너지에 의해 상기 배터리의 최대충전량까지 충전을 수행하는 단계;를 포함하고,
    상기 a) 단계에서, 상기 차량의 엔진이 작동중인 경우,
    a1)상기 차량의 가속 여부를 판단하는 단계;
    a2)상기 차량이 가속 주행을 수행하는 경우, 엔진과 연결된 얼터네이터를 통해 엔진작동회로와 상기 배터리를 연결하여 상기 배터리를 충전하는 단계; 및
    a3)상기 차량이 정속 주행 또는 감속 주행을 수행하는 경우, 상기 얼터네이터 충전 빈도가 감소하도록 상기 태양전지 회로와 상기 배터리를 연결하여 상기 배터리를 충전하는 단계를 포함하며,
    상기 a3)단계에서,
    상기 태양전지 회로의 발전 전력을 측정하여, 상기 발전 전력이 미리 설정된 제 2설정값 보다 작은 경우, 상기 얼터네이터를 통해 상기 엔진작동회로를 연결하여 상기 배터리를 충전하는 단계를 더 포함하는 태양전지 활용 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 b)단계에서, 상기 부하부 구동요청 판단은,
    b1)상기 배터리 충전 용량이 제 1설정값 이상에서 상기 차량의 실내온도가 30℃ 이상인지 판단하는 단계;
    b2)상기 배터리 충전 용량이 제 1설정값 이상에서 상기 차량의 실내온도가 30℃ 이상인 경우, 공조기를 가동시키는 단계;
    b3)상기 차량 외부의 비가 내리는지 판단하는 단계;
    b4)상기 차량 외부에 비가 내리지 않는 경우, 선루프 개방을 수행하는 단계를 포함하는 태양전지 활용 방법.
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