KR20120086923A - 자동차용 태양에너지 활용 시스템 - Google Patents

자동차용 태양에너지 활용 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동차용 태양에너지 활용 시스템에 관한 것이다.
본 발명은, 태양광을 전기에너지로 변환하는 태양전지모듈; 자동차 엔진의 작동시, 상기 엔진의 작동에 의해 발생하는 전기에너지 및 상기 태양전지모듈로부터 출력된 전기에너지를 상기 자동차의 배터리에 축적시키는 엔진작동시 회로; 상기 엔진의 정지시, 상기 태양전지모듈로부터 출력된 전기에너지를 외기 온도에 따라 상기 배터리에 축적시키거나 상기 자동차의 공조장치에 내장된 블로워에 공급하거나, 상기 자동차의 예열장치에 공급하는 엔진정지시 회로; 및 이그니션 온 신호를 수신하면 상기 엔진작동시 회로를 단락시킴과 동시에 상기 엔진정지시 회로를 개방시키고, 이그니션 오프 신호를 수신하면 상기 엔진작동시 회로를 개방시킴과 동시에 상기 엔진정지시 회로를 단락시키는 회로선택스위치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 태양에너지 활용 시스템을 제공한다.

Description

자동차용 태양에너지 활용 시스템{SOLAR ENERGY UTILIZING SYSTEM FOR VEHICLE}
본 발명은 자동차용 태양에너지 활용 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양광을 전기에너지로 전환하는 태양전지를 장착한 자동차에 구비되어 상기 태양전지로부터 출력되는 전기에너지를 다양하게 활용하는 태양에너지 활용 시스템에 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 원료 가격이 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.
일본공개특허공보 제2001-47852호는 태양에너지를 이용하여 차실을 난방하는 난방 장치를 개시하고 있다. 상기 난방 장치에 따르면, 엔진 냉각수의 순환 경로 상에 또는 차실로 유입되는 공기의 온도/세기/방향을 조절하는 공조장치(HVAC : Heating, Ventilation and Air Conditioning) 내에 가열 수단이 설치되고, 상기 가열 수단은 자동차 외면의 태양전지모듈이 출력한 전기에너지에 의해 작동한다.
또한 일본공개특허공보 평9-323532호는 엔진이 정지한 상태에서도 태양에너지를 이용하여 엔진 냉각수의 온도를 유지시키는 축열 장치를 개시하고 있다. 상기 축열 장치에 따르면, 엔진 냉각수의 순환 경로 상에 축열 용기가 설치되고, 상기 축열 용기 내에 발열체가 설치되며, 자동차의 지붕에 설치된 태양전지가 상기 발열체에 전력을 공급한다.
상기 난방 장치 및 축열 장치는 태양에너지로부터 전환된 전기에너지를 활용하고 있기는 하다. 그러나 그 활용이 차실 난방이나 엔진 냉각수의 온도 유지에 국한되어 있다. 이에 태양에너지를 보다 효율적이고 광범위하게 활용할 수 있는 시스템 내지 방안이 필요하다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 태양에너지를 종래에 비해 광범위하고 효율적으로 활용할 수 있는 자동차용 태양에너지 활용 시스템을 제공하는 것을 목적으로 삼고 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 태양광을 전기에너지로 변환하는 태양전지모듈; 자동차 엔진의 작동시, 상기 엔진의 작동에 의해 발생하는 전기에너지 및 상기 태양전지모듈로부터 출력된 전기에너지를 상기 자동차의 배터리에 축적시키는 엔진작동시 회로; 상기 엔진의 정지시, 상기 태양전지모듈로부터 출력된 전기에너지를 외기 온도에 따라 상기 배터리에 축적시키거나 상기 자동차의 공조장치에 내장된 블로워에 공급하거나, 상기 자동차의 예열장치에 공급하는 엔진정지시 회로; 및 이그니션 온 신호를 수신하면 상기 엔진작동시 회로를 단락시킴과 동시에 상기 엔진정지시 회로를 개방시키고, 이그니션 오프 신호를 수신하면 상기 엔진작동시 회로를 개방시킴과 동시에 상기 엔진정지시 회로를 단락시키는 회로선택스위치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 태양에너지 활용 시스템을 제공한다.
바람직하게 상기 엔진작동시 회로는, 상기 태양전지모듈로부터 출력된 직류를 다른 전압의 직류로 변환하는 컨버터와 상기 배터리를 직렬로 연결하고, 상기 회로선택스위치에 의해 단락 또는 개방되는 제1직렬회로; 및 상기 엔진의 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기와 상기 배터리를 직렬로 연결하는 제2직렬회로;를 포함한다. 이때, 상기 발전기의 출력단은 상기 컨버터의 출력단과 상기 배터리의 입력단을 연결하는 회선에 연결되고, 상기 회선에는 상기 컨버터의 출력단으로부터 상기 배터리의 입력단으로의 전류 흐름만을 허용하는 다이오드가 구비된다.
바람직하게 상기 엔진정지시 회로는, 상기 태양전지모듈로부터 출력된 직류를 다른 전압의 직류로 변환하는 컨버터와 상기 외기 온도에 따라 컨버터 출력의 선택적 활용을 제어하는 제어부를 직렬로 연결하고, 상기 회로선택스위치에 의해 단락 또는 개방되는 제3직렬회로; 상기 제어부와 상기 배터리와 상기 블로워와 상기 예열장치를 병렬로 연결하는 병렬회로; 및 상기 컨버터의 출력단과 상기 배터리의 입력단 간, 상기 컨버터의 출력단과 상기 블로워의 입력단 간 및 상기 컨버터의 출력단과 상기 예열장치의 입력단 간 각각을 개방 또는 단락시키고, 상기 제어부에 의해 온/오프되는 제1스위치 내지 제3스위치;를 포함한다.
이때 상기 제어부는, 상기 외기 온도가 미리 설정된 제1기준온도 미만일 경우에는 제3스위치만을 온시키고, 상기 외기 온도가 상기 제1기준온도 이상이고 상기 제1기준온도보다 크도록 미리 설정된 제2기준온도 미만일 경우에는 제2스위치만을 온시키며, 상기 외기 온도가 상기 제2기준온도 이상일 경우에는 제1스위치만을 온시킨다.
한편 상기 예열장치가 복수일 경우, 상기 병렬회로는 상기 복수의 예열장치들 병렬로 연결시키고, 상기 제3스위치는 복수로 구비되어 상기 컨버터의 출력단과 상기 복수의 예열장치들의 입력단 간을 각각 개방 또는 단락시키는 것이 바람직하다. 이때 상기 제어부는 상기 컨버터의 출력과 상기 복수의 예열장치들의 소모 전력을 비교한 후, 그 비교 결과에 근거하여 상기 복수의 제3스위치를 선택적으로 온/오프 시킨다.
본 발명에 의하면, 태양에너지가 자동차의 엔진이 구동중일 경우에는 상기 자동차에 탑재된 배터리에 축적될 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 엔진이 정지중이고 외기 온도가 낮으면 예열이 필요한 자동차 부품이 태양에너지에 의해 예열될 수 있고, 엔진이 정지중이고 외기 온도가 적절하면 차실의 환기가 태양에너지에 의해 이루어질 수 있으며, 엔진이 정지중이고 외기 온도가 높으면 태양에너지가 배터리에 축적될 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 예열이 필요한 부품은 복수이나 태양에너지가 이들 모두를 예열하기에 부족한 경우 복수의 부품이 선택적으로 예열될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 자동차용 태양에너지 활용 시스템을 도시한 회로도이다.
도 2는 도 1의 태양에너지 활용 시스템이 블로워를 작동시킬 때의 회로도이다.
도 3은 도 1의 태양에너지 활용 시스템이 예열장치를 작동시킬 때의 회로도이다.
이하, 본 발명에 따른 자동차용 태양에너지 활용 시스템의 바람직한 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 이하에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야할 것이다.
본 발명에 따른 자동차용 태양전지 활용 시스템(100)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 태양전지모듈(110)과, 엔진작동시 회로와, 엔진정지시 회로와, 회로선택스위치(170)를 포함한다.
상기 태양전지모듈(110)은 자동차의 지붕 등과 같은 표면에 구비되어 태양광을 전기에너지로 변환한다. 태양전지모듈(110)로부터 출력된 직류는 DC/DC 컨버터(122)에 의해 다른 전압의 직류로 변환된다.
상기 엔진작동시 회로는 자동차의 엔진(190)이 구동할 때 작동하는 회로로서, 엔진(190)의 구동에 의해 발생하는 전기에너지 및 태양전지모듈(110)로부터 출력된 전기에너지를 자동차의 배터리(124)에 축적시킨다. 그리고 이를 위해 엔진작동시 회로는 제1직렬회로 및 제2직렬회로를 포함한다.
상기 제1직렬회로는 컨버터(122)와 배터리(124)를 직렬로 연결하기 위해 제1-1회선(126)과 제1-2회선(128)을 포함한다. 제1-1회선(126)은 컨버터(122)의 출력단과 상기 배터리(124)의 입력단을 연결하고, 회로선택스위치(170)에 의해 개방 또는 단락된다. 회로선택스위치(170)는 이그니션(IGN) 신호를 수신하면 제1-1회선(126)을 단락시키나, 그렇지 않으면 제1-1회선(126)을 개방시킨다. 상기 제1-2회선(128)은 배터리(124)의 출력단과 컨버터(122)의 입력단을 연결한다.
상기 제2직렬회로는 발전기(132)와 배터리(124)를 직렬로 연결하기 위해 제2-1회선(134)과 제2-2회선(136)을 포함한다. 상기 발전기(132)는 엔진(190)의 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 제2-1회선(134)은 발전기(132)의 출력단과 제1-1회선(126)을 연결하고, 제2-2회선(136)은 제1-2회선(128)과 발전기(132)의 입력단을 연결한다. 제2-1회선(134) 및 제2-2회선(136)의 연결관계가 이와 같을 경우, 발전기(132)의 출력 전류가 컨버터(122)로 흐를 수 있다. 따라서 제1-1회선(126)에는 컨버터(122)의 출력단으로부터 배터리(124)의 입력단으로의 전류 흐름만을 허용하는 다이오드(126a)가 구비된다.
상기 엔진정지시 회로는 엔진(190)이 정지하였을 때 작동하는 회로로서, 태양전지모듈(110)로부터 출력된 전기에너지를 외기 온도에 근거하여 배터리(124)에 축적시키거나, 자동차의 공조장치(HVAC : Heating, Ventilation and Air Conditioning)(10)에 내장된 블로워(152)에 공급하거나, 자동차의 예열장치(162, 164)에 공급한다. 그리고 이를 위해 엔진정지시 회로는 제3직렬회로, 병렬회로, 제1스위치(124b), 제2스위치(152b) 및 제3스위치(162b, 164b)를 포함한다.
상기 제3직렬회로는 컨버터(122)와 제어부(146)를 직렬로 연결로 연결하기 위해 제3-1회선(144)과 제3-2회선(146)과 제3-3회선(148)을 포함한다. 제3-1회선(144)은 컨버터(122)의 출력단으로부터 연장하고, 제3-2회선(146)은 제3-1회선(144)과 제어부(142)의 입력단을 연결하고, 제3-3회선(148)은 제어부(142)의 출력단과 제1-2회선(128)을 연결한다. 제3-1회선(144)의 부위 중 컨버터(122)와 제3-2회선(146) 사이의 부위는 회로선택스위치(170)에 의해 개방 또는 단락된다. 회로선택스위치(170)는 이그니션(IGN) 신호를 수신하면 제3-1회선(144)을 개방시키나, 그렇지 않으면 제3-1회선(144)을 단락시킨다.
상기 병렬회로는 배터리(124)와 블로워(152)와 예열장치(162, 164)를 제어부(142)에 대하여 병렬로 연결하기 위해 제4-1회선(124a)과 제4-2회선(152a)과 제4-3회선(162a, 164a)을 포함한다. 제4-1회선(124a)은 제3-1회선(144)과 제1-2회선(128)을 연결하고, 배터리(124)를 경유한다. 제4-2회선(152a)은 제3-1회선(144)과 제1-2회선(128)을 연결하고, 블로워(152)를 경유한다. 제4-3회선(162a, 164a)은 제3-1회선(144)과 제1-2회선(128)을 연결하고, 예열장치(162, 164)를 경유한다.
상기 제1스위치(124b)는 제4-1회선(124a)을 개방 또는 단락시키고, 제2스위치(152b)는 제4-2회선(152a)을 개방 또는 단락시키며, 제3스위치(162b, 164b)는 제4-3회선(162a, 164a)을 개방 또는 단락시킨다. 제1스위치(124b), 제2스위치(152b) 및 제3스위치(162b, 164b)의 온/오프는 제어부(142)에 의해 제어된다.
상기 제어부(142)는 외기온 센서(180)로부터 현재 외기 온도를 수신한 후, 이를 기초로 제1스위치(124b), 제2스위치(152b) 및 제3스위치(162b, 164b)의 온/오프를 선택적으로 제어한다.
구체적으로, 제어부(142)는 외기 온도가 미리 설정된 제1기준온도 미만일 경우에는 제3스위치(162b, 164b)를 작동시켜 제4-3회선(162a, 164a)만을 단락시킨다. 겨울철과 같이 외기 온도가 낮은 경우, 차실 환기의 필요성은 낮고 자동차 부품 예열의 필요성이 높은바, 제어부(142)의 작동은 위와 같이 이루어진다. 상기 제1기준온도는 상황에 따라 적절하게 설정될 수 있다.
반면 외기 온도가 제1기준온도 이상이고 제1기준온도보다 높도록 미리 설정된 제2기준온도 미만이면, 제어부(142)는 제2스위치(152b)를 작동시켜 제4-2회선(152a)만을 단락시킨다. 봄이나 가을에는 자동차 부품 예열의 필요성은 낮고 적당한 온도의 외기를 차실로 유입시켜 차실을 환기시키는 것이 더 유익한바, 제어부(142)의 작동은 위와 같이 이루어진다. 상기 제2기준온도는 상황에 따라 적절하게 설정될 수 있다.
한편 여름철과 같이 외기 온도가 높은 경우에는 차실 환기의 필요성 및 자동차 부품 예열의 필요성이 낮다. 따라서 외기 온도가 제2기준온도 이상일 경우 제어부(142)는 제1스위치(124b)를 작동시켜 제4-1회선(124a)만을 단락시킨다.
상기 예열장치는 하나만으로 구비될 수도 있으나, 복수로 구비될 수도 있다. 예컨대, 도 1 및 도 3에는 엔진 냉각수를 예열하는 장지(162) 및 변속기 오일을 예열하는 장치(164)만이 도시되어 있으나, 상기 예열장치는 그외에 엔진 오일을 예열하는 장치, 가솔린 엔진의 삼원촉매를 예열하는 장치, 디젤엔진의 DPF를 예열하는 장치 등을 더 구비할 수도 있다.
예열장치가 복수로 구비될 경우, 컨버터(122)의 출력이 복수의 예열장치(162, 164) 모두를 작동시키기에 부족할 수 있다. 따라서 복수의 예열장치(162, 164)는 도시된 바와 같이 서로 병렬로 연결되고, 제3스위치(162b, 164b)는 예열장치의 개수와 동일한 개수로 구비되며, 제어부(142)는 컨버터(122)의 출력과 복수의 예열장치들(162, 164) 각각의 소모 전력을 비교한 후 그 비교 결과에 근거하여 제3스위치들(162b, 164b)을 선택적으로 온/오프한다.
도 3에서 도면부호 162-1은 냉각수 배관의 외면을 감싸는 전기히터이고, 도면부호162-2는 냉각수를 순환시키는 펌프이다. 그리고 도면부호 164-1은 판형 열교환기(210)의 외면에 장착된 전기히터이고, 도면부호164-2는 변속기 오일을 순환시키는 펌프이다. 한편, 엔진(190)이 구동하면 냉각수의 가열은 엔진에서 이루어지고, 변속기 오일은 판형 열교환기(210)에서 냉각수로부터 열을 흡수한다.
이하 상기 자동차용 태양에너지 활용 시스템(100)의 작동 과정을 설명한다.
엔진(190)이 작동 중이면 회로선택스위치(170)는 제1-1회선(126)을 단락시킴과 동시에 제3-1회선(144)을 개방시킨다. 따라서 태양전지모듈(110)로부터 출력된 전기에너지는 배터리(124)에 축적되고, 이때 엔진(190)의 구동에 의해 발생하는 전기에너지도 배터리(124)에 축적된다.
작동 중인 엔진(190)이 정지하면 회로선택스위치(170)는 제1-1회선(126)을 개방시킴과 동시에 제3-1회선(144)을 단락시킨다. 따라서 태양전지모듈(110)로부터 출력된 전기에너지는 제어부(142)로 공급된다. 전력을 공급받은 제어부(142)는 외기온 센서(180)로부터 외기 온도를 수신하고, 수신한 외기 온도의 값에 따라 제1스위치(124b), 제2스위치(152b) 및 제3스위치(162b, 164b)의 온/오프를 선택적으로 제어한다.
외기 온도가 낮아 제3스위치가 온으로 작동하여 하는 상태에서, 태양전지모듈(110)로부터 출력된 전기에너지가 복수의 예열장치(162, 164) 모두를 작동시키기에 부족하면 제어부(142)는 복수의 제3스위치(162b, 164b)를 선택적으로 작동시킨다. 한편, 태양전지모듈(110)로부터 출력된 전기에너지가 복수의 예열장치(162, 164) 모두를 작동시키지 못할 정도로 미비하다면, 제어부(142)는 외기 온도가 낮음에도 불구하고 태양전지모듈(110)로부터 출력된 전기에너지를 배터리(124)에 축적시킨다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 물론이다.
100 : 태양전지 활용 시스템 110 : 태양전지모듈
122 : 컨버터 124 : 배터리
126a : 다이오드 132 : 발전기
142 : 제어부 152 : 블로워
162 : 냉각수 예열장치 164 : 변속기 오일 예열장치
170 : 회로선택스위치 180 : 외기온 센서
190 : 엔진

Claims (7)

  1. 태양광을 전기에너지로 변환하는 태양전지모듈;
    자동차 엔진의 작동시, 상기 엔진의 작동에 의해 발생하는 전기에너지 및 상기 태양전지모듈로부터 출력된 전기에너지를 상기 자동차의 배터리에 축적시키는 엔진작동시 회로;
    상기 엔진의 정지시, 상기 태양전지모듈로부터 출력된 전기에너지를 외기 온도에 따라 상기 배터리에 축적시키거나 상기 자동차의 공조장치에 내장된 블로워에 공급하거나, 상기 자동차의 예열장치에 공급하는 엔진정지시 회로; 및
    이그니션 온 신호를 수신하면 상기 엔진작동시 회로를 단락시킴과 동시에 상기 엔진정지시 회로를 개방시키고, 이그니션 오프 신호를 수신하면 상기 엔진작동시 회로를 개방시킴과 동시에 상기 엔진정지시 회로를 단락시키는 회로선택스위치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 태양에너지 활용 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 엔진작동시 회로는,
    상기 태양전지모듈로부터 출력된 직류를 다른 전압의 직류로 변환하는 컨버터와 상기 배터리를 직렬로 연결하고, 상기 회로선택스위치에 의해 단락 또는 개방되는 제1직렬회로; 및
    상기 엔진의 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기와 상기 배터리를 직렬로 연결하는 제2직렬회로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 태양에너지 활용 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 발전기의 출력단은 상기 컨버터의 출력단과 상기 배터리의 입력단을 연결하는 회선에 연결되고, 상기 회선에는 상기 컨버터의 출력단으로부터 상기 배터리의 입력단으로의 전류 흐름만을 허용하는 다이오드가 구비된 것을 특징으로 하는 태양에너지 활용 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 엔진정지시 회로는,
    상기 태양전지모듈로부터 출력된 직류를 다른 전압의 직류로 변환하는 컨버터와 상기 외기 온도에 따라 컨버터 출력의 선택적 활용을 제어하는 제어부를 직렬로 연결하고, 상기 회로선택스위치에 의해 단락 또는 개방되는 제3직렬회로;
    상기 제어부와 상기 배터리와 상기 블로워와 상기 예열장치를 병렬로 연결하는 병렬회로; 및
    상기 컨버터의 출력단과 상기 배터리의 입력단 간, 상기 컨버터의 출력단과 상기 블로워의 입력단 간 및 상기 컨버터의 출력단과 상기 예열장치의 입력단 간 각각을 개방 또는 단락시키고, 상기 제어부에 의해 온/오프되는 제1스위치 내지 제3스위치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 태양에너지 활용 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 외기 온도가 미리 설정된 제1기준온도 미만일 경우에는 제3스위치만을 온시키고,
    상기 외기 온도가 상기 제1기준온도 이상이고 상기 제1기준온도보다 크도록 미리 설정된 제2기준온도 미만일 경우에는 제2스위치만을 온시키며,
    상기 외기 온도가 상기 제2기준온도 이상일 경우에는 제1스위치만을 온시키는 것을 특징으로 하는 자동차용 태양에너지 활용 시스템.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 예열장치가 복수일 경우, 상기 병렬회로는 상기 복수의 예열장치들 병렬로 연결시키고, 상기 제3스위치는 복수로 구비되어 상기 컨버터의 출력단과 상기 복수의 예열장치들의 입력단 간을 각각 개방 또는 단락시키는 것을 특징으로 하는 자동차용 태양에너지 활용 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 컨버터의 출력과 상기 복수의 예열장치들의 소모 전력을 비교한 후, 그 비교 결과에 근거하여 상기 복수의 제3스위치를 선택적으로 온/오프 시키는 것을 특징으로 하는 자동차용 태양에너지 활용 시스템.
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