WO1999027251A1 - Vorrichtung zur erzeugung von elektrischer energie aus wasserkraft - Google Patents

Vorrichtung zur erzeugung von elektrischer energie aus wasserkraft Download PDF

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WO1999027251A1
WO1999027251A1 PCT/CH1998/000483 CH9800483W WO9927251A1 WO 1999027251 A1 WO1999027251 A1 WO 1999027251A1 CH 9800483 W CH9800483 W CH 9800483W WO 9927251 A1 WO9927251 A1 WO 9927251A1
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Robert Schnyder
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    • F03B13/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
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    • F16M3/00—Portable or wheeled frames or beds, e.g. for emergency power-supply aggregates, compressor sets
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    • Y02E10/20—Hydro energy

Definitions

  • the present invention relates to a device for generating electrical energy from hydropower with a hydropower plant with a turbine and generator in the power range between approximately 5 kW and 200 kW.
  • Systems of this relatively small size are e.g. offered by a company SFL Wasserkraftanlagen GmbH in D-86707 Westendorf or D-88430 Rot an der Rot and have proven their worth in a wide variety of locations for local power generation. They are designed for low pressure.
  • a medium-sized stream which carries around 300 - 1200 1 / s water and has a slope of a few meters, typically 2 - 10 m, over a not too great distance, is sufficient for its operation. Suitable streams are found in large numbers, especially in mountainous regions.
  • the known hydropower plants are installed in a small building and connected to the watercourse via supply and drain lines.
  • the building has special foundations for supporting the turbine and the generator provided and must be created according to the specifications of the manufacturer of the hydropower plant.
  • the invention provides a device with a hydropower plant of the type described above, but the hydropower plant as a whole, but at least the turbine and generator of the hydropower plant in a standard commercial container, such as that used for ship, air, road or rail transport is, is / are installed.
  • the container not only serves as a transport container; it also replaces the building previously required on site.
  • the hydropower plant can be completely pre-assembled by the manufacturer and tested if necessary, so that no specially trained personnel are required at the actual operating location.
  • the device according to the invention represents an already functional, compact power plant.
  • the power plant is mobile as a whole and can therefore only be used temporarily where necessary, where the creation of a permanent installation is not necessary or is not worthwhile and where previously practical only diesel generators with the adverse noise and exhaust gas emissions emanating from them were used.
  • the on-site construction measures required to set up the device according to the invention are limited to the production of a sufficiently solid base such as, for example, a simple concrete platform or a simple frame-shaped concrete foundation, which can also be carried out easily by personnel who do not have specific knowledge is.
  • Special anchoring means for the container on the platform or the foundation, such as a container and encompassing frame, can also be prefabricated by the manufacturer and delivered in the container.
  • the hydropower plant is preferably mounted in a stiffened frame and then pushed into the container together with it. In this case, apart from a closable opening for carrying out the inflow or outflow, no changes are necessary on the container itself, which ensures its portability in the usual way. Mounted in this way, the hydropower plant can be pulled out of the container together with the frame, making it easily accessible for maintenance and repair.
  • the frame can also be provided with boxes which are empty during transport, but can be filled on site with sand or a comparable material and which, when filled, replace the solid bases for the turubine and the generator which were previously customary.
  • elements can also be provided, from which, in connection with the container doors, e.g. a closed anteroom can be built. These elements can also be prefabricated and delivered in the container.
  • Figure 1 is a kind of longitudinal section through a device according to the invention.
  • Figure 2 is a kind of horizontal section through the same device.
  • Fig. 3 shows two alternative connection variants of the device to a watercourse.
  • 1 denotes a container made of metal, as is usually used for the ship, air, road or rail transport of goods (ISO standard container).
  • ISO standard container Such containers have a standard width of 8 feet, a height between 8 and 9.6 feet and a length of 20 or 40 feet and have on one of their two narrow or end faces a loading and unloading opening that can be closed with two pivoting doors 2.
  • the floor is covered with wooden planks.
  • a complete hydropower plant is mounted in the container 1 in a frame 3, which comprises a turbine 4, a generator 5 with a flywheel 6 and electrical switch cabinets 7.
  • the frame 3 is constructed from strong metal profiles and stiffened with struts 8. Furthermore, it is designed as a slide-in frame so that the elements of the hydropower plant can be mounted in it outside the container and then inserted into the container 1 together with the frame 3.
  • the frame 3 For weighting the frame 3 at the installation site of the hydropower plant and for the formation of bearing blocks for the turbine 4 and the generator 5, several with sand or the like are in the frame 3.
  • Fillable boxes 9 provided. 10 denotes the filling slide for these boxes and 11 discharge slide, so that the filling material can also be removed if necessary.
  • the outlet slide 11 can be operated, for example, by means of a pull rope 12.
  • the boxes 9 can have a base which is inclined slightly outwards and / or pneumatic fluidizing can also gutters or vibrating or chain conveyors, which are not shown in the drawing.
  • the container 1 shown corresponds to the above-mentioned long version with a length of 40 feet and is therefore able to accommodate an outlet tray 13 in addition to the elements already mentioned.
  • 14 denotes a cover for this tub.
  • the outlet trough 13 is arranged somewhat lower than the turbine 4 with respect to its level and is connected to the turbine 4 with a gradient via a suction pipe 15.
  • the suction pipe 15 widens in width from the turbine 4 to the outlet pan 13.
  • the outlet trough opens into a connecting flange 16.
  • the rear container wall 17 is provided with an opening which can be closed by means of a cover or the like for the transport of the container 1.
  • the connecting flange 16 can, but need not, be connected to the rear container wall 17.
  • the hydropower plant is preferably arranged laterally offset from the center somewhat in relation to its longitudinal axis in the container 1, so that a passage 29 to the rear container wall 17 remains free in the container next to the hydropower plant and all parts of the plant including switch cabinets 7 are easily accessible.
  • a suitable platform 18, for example made of concrete, for the container In order to fasten the container 1 on this platform, a special frame 19 is advantageously provided, which is precisely adapted to the container and at least includes this at the front and rear and thereby prevents displacement.
  • the frame 19 can be fastened to the platform 18 with anchors 20.
  • the frame 19 is advantageously composed of several parts which can be stowed in the container and delivered to it. If the container 1 is set up and, if necessary, fastened by means of the frame 19, it is sufficient to connect the turbine 4 to an inlet tube 21 made of plastic or steel and the outlet trough 13 to an outlet channel 22, for example made of appropriate materials. To do this, the front swing doors 2 must of course be opened and the lid removed from the opening mentioned in the rear container wall 17.
  • the 90 ° open container doors 2 can also be included as side walls in an anteroom construction 23, for the front wall 24, ceiling 25 and possibly also floor 26, however, additional plate-shaped elements are required. However, like the outer frame 19, these can already be prefabricated and stored in the container 1.
  • the front wall 24 is preferably provided with a door 28. Furthermore, the front wall 24 and / or the ceiling element 25 must of course leave an opening for the entry of the inlet pipe 21.
  • Suitable hydropower plants of the type described above and of a suitable size can be obtained completely, for example, from a company SFL Wasserkraftanlagen GmbH in D-86707 Westendorf or D-88430 Rot an der Rot.
  • the water level in the discharge area of such turbines is set sufficiently high (e.g.
  • the remaining elements shown in the container 1 behind the outlet trough 13 in FIGS. 1 and 2 and designated by 27 are machines for drilling, turning, milling, etc., which are operated with the electricity generated and always in the area of systems of the type described are useful.
  • hydropower plant could also be installed in the container the other way round, so that the water enters the device through the container rear wall 17 and leaves it again through the front door.

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Abstract

Die Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Wasserkraft umfasst eine Wasserkraftanlage mit Turbine (4) und Generator (5), wobei die Wasserkraftanlage als Ganzes, zumindest jedoch Turbine (4) und Generator (5) der Wasserkraftanlage in einen handelsüblichen Norm-Container (1), wie er für den Schiffs-, Luft-, Strassen- oder Bahntransport verwendet wird, eingebaut ist/sind. In dem Container (1) kann die Wasserkraftanlage fertig vormontiert in einfacher und rationeller Weise an ihren Bestimmungsort transportiert, dort einfach aufgestellt und in Betrieb genommen werden. Am Einsatzort sind keine aufwendigen baulichen Massnahmen erforderlich. Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann deshalb bei Bedarf ggf. auch schnell von einem zu einem anderen Einsatzort transportiert werden.

Description

BESCHREIBUNG
TITEL
Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus
Wasserkraft
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Wasserkraft mit einer Wasserkraftanlage mit Turbine und Generator im Leistungsbereich zwischen ca. 5 kW und 200 kW.
STAND DER TECHNIK
Anlagen dieser verhaltnismassig geringen Grδsse werden z.B. von einer Firma SFL Wasserkraftanlagen GmbH in D- 86707 Westendorf bzw. D-88430 Rot an der Rot angeboten und haben sich an den verschiedensten Einsatzorten zur lokalen Stromerzeugung gut bewährt. Sie sind für Niederdruck ausgelegt. Für ihren Betrieb ist bereits ein mittlerer Bach, der um die 300 - 1200 1/s Wasser führt und über eine nicht zu grosse Distanz ein Gefälle von einigen Metern, typisch 2 - 10 m, aufweist, ausreichend. Geeignete Bäche finden sich vor allem in gebirgigen Regionen in grδsserer Anzahl.
Üblicherweise werden die bekannten Wasserkraftanlagen in ein kleines Gebäude eingebaut und über Zufuhr- und Abflussleitungen an den Wasserlauf angeschlossen. Das Gebäude ist mit speziellen Fundamenten zur Auflagerung der Turbine und des Generators versehen und muss nach den Angaben des Herstellers der Wasserkraftanlage erstellt werden.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Durch die Erfindung wird eine Vorrichtung mit einer Wasserkraftanlage der vorbeschriebenen Art geschaffen, wobei die Wasserkraftanlage jedoch als Ganzes, zumindest aber Turbine und Generator der Wasserkraftanlage in einen handelsüblichen Norm- Container, wie er für den Schiffs-, Luft-, Strassen- oder Bahntransport verwendet wird, eingebaut ist/sind.
Durch den Einbau in den Container werden Transport, Aufstellung und Inbetriebnahme der Wasserkraftanlage erheblich erleichtert. Der Container dient hierbei nicht nur als Transportbehältnis; er ersetzt auch das vor Ort bisher erforderliche Gebäude. Im Container kann die Wasserkraftanlage bereits beim Hersteller komplett vormontiert und ggf. getestet werden, so dass am eigentlichen Betriebsort kein speziell geschultes Personal mehr benötigt wird. Derart vormontiert stellt die erfindungsgemässe Vorrichtung ein bereits funktionsfertiges, kompaktes Kraftwerk dar. Das Kraftwerk ist als Ganzes mobil und kann dadurch ggf. auch nur vorrübergehend an Orten eingesetzt werden, wo die Erstellung einer dauernden Installation nicht erforderlich ist oder sich nicht lohnt und wo bisher praktisch ausschliesslich Dieselgeneratoren mit den von diesen ausgehenden nachteiligen Lärm- und Abgasimissionen eingesetzt wurden.
Die vor Ort notwendigen Baumassnahmen zur Aufstellung der erfindungsgemässen Vorrichtung beschränken sich neben dem jedenfalls notwendigen Anschluss an den Wasserlauf auf die Herstellung eines ausreichend festen Untergrundes wie z.B einer einfachen Betonplattform oder eines einfachen rahmenförmigen Betonfundaments, was auch durch nicht über spezifische Kenntnisse verfügendes Personal ohne weiteres ausführbar ist. Spezielle Verankerungsmittel für den Container auf der Plattform oder dem Fund-ament, wie z.B. ein den Container aufnehmender und umgreifender Rahmen, können ebenfalls durch den Hersteller bereits vorgefertigt und in dem Container mit angeliefert werden.
Vorzugsweise wird die Wasserkraftanlage in einem in sich ausgesteiften Rahmen montiert und dann zusammen mit diesem in den Container eingeschoben. An dem Container selbst sind in diesem Fall abgesehen von einer verschliessbaren Öffnung für die Durchführung des Zu- oder Abflusses keinerlei Veränderungen erforderlich, was dessen Transportierbarkeit auf die übliche Weise sicherstellt. So montiert ist die Wasserkraf anlage zusammen mit dem Rahmen aus dem Container auch wieder herausziehbar und dadurch für eine Wartung bzw. Reparatur gut zugänglich. Der Rahmen kann auch mit Kästen versehen sein, die während des Tranports leer sind, vor Ort jedoch mit Sand oder einem vergleichbaren Material befüllt werden können und die im befüllten Zustand die bisher üblichen festen Sockel für die Turubine und den Generator ersetzen.
Mit weiterem Vorteil können auch noch Elemente vorgesehen werden, aus welchen in Verbindung mit den Containertüren vor Ort z.B. ein geschlossener Vorraum aufgebaut werden kann. Auch diese Elemente können vorgefertigt und in dem Container mit angeliefert werden.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt :
Fig. 1 eine Art Längsschnitt durch eine Vorrichtung nach der Erfindung;
Fig. 2 eine Art Horizontalschnitt durch dieselbe Vorrichtung; und Fig. 3 zwei alternative Anschlussvarianten der Vorrichtung an einen Wasserlauf.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In der Zeichnung bezeichnet 1 einen Container aus Metall, wie er gewöhnlich für den Schiffs-, Luft, Strassen- oder Bahntransport von Gütern verwendet wird (Iso-Norm-Container) . Derartige Container weisen eine Standardbreite von 8 Fuss, eine Höhe zwischen 8 und 9.6 Fuss und eine Länge von 20 oder 40 Fuss auf und verfügen an einer ihrer beiden Schmal- bzw. Stirnseiten über eine mit zwei Schwenktüren 2 verschliessbare Be- und Entladeöffnung. Ihr Boden ist mit Holzbohlen ausgelegt.
In dem Container 1 ist in einem Rahmen 3 eine von den Zufuhr- und abflussleitungen abgesehen, komplette Wasserkraftanlage montiert, welche eine Turbine 4, einen Generator 5 mit Schwungmasse 6 sowie elektrische Schaltschränke 7 umfasst.
Der Rahmen 3 ist aus starken Metallprofilen aufgebaut und mit Verstrebungen 8 in sich ausgesteift. Weiter ist er als Einschubrahmen ausgebildet, so dass die Elemente der Wasserkraftanlage ausserhalb des Containers in ihm montiert und dann zusammen mit dem Rahmen 3 in den Container 1 eingeschoben werden können.
Zur Beschwerung des Rahmens 3 am Aufstellungsort der Wasserkraftanlage sowie zur Ausbildung von Lagerbδcken für die Turbine 4 und den Generator 5 sind in dem Rahmen 3 mehrere mit Sand oder dergl . befüllbare Kästen 9 vorgesehen. 10 bezeichnet Einfüllschieber für diese Kästen und 11 AuslaufSchieber, so dass das Füllmaterial bei Bedarf auch wieder entnommen werden kann. Die AuslaufSchieber 11 können z.B mittels eines Zugseiles 12 bedient werden. Zur Erleichterung des Entleerens können die Kästen 9 einen leicht nach aussen geneigten Boden aufweisen und/oder können zusätzlich auch noch pneumatische Fluidisier- rinnen oder Vibrations- bzw. Kettenfδdererer eingebaut sein, die in der Zeichnung jedoch nicht dargestellt sind.
Der dargestellte Container 1 entspricht der oben erwähnten langen Ausführung mit 40 Fuss Länge und ist dadurch in der Lage, ausser den bereits genannten Elementen auch noch eine Auslaufwanne 13 aufzunehmen. 14 bezeichnet eine Abdeckung für diese Wanne. Die Auslaufwanne 13 ist bezüglich ihres Niveaus etwas tiefer als die Turbine 4 angeordnet und über ein Saugrohr 15 mit Gefälle mit der Turbine 4 verbunden. Das Saugrohr 15 erweitert sich in seiner Breite von der Turbine 4 zur Auslaufwanne 13 hin. An ihrem in der Zeichnung rechten Ende mündet die Auslaufwanne in einem Anschlussflansch 16. Im Bereich dieses Anschlussflansches 16 ist die hintere Containerwand 17 mit einer Öffnung versehen, welche mittels eines Deckels oder dergleichen für den Transport des Containers 1 verschlossen werden kann. Der Anschlussflansch 16 kann, muss aber nicht, mit der hinteren Containerwand 17 verbunden sein.
Wie in Fig. 2 erkennbar ist die Wasserkraftanlage vorzugsweise in dem Container 1 etwas gegenüber dessen Längsachse aus der Mitte heraus seitlich versetzt angeordnet, so dass in dem Container neben der Wasserkraftanlage ein Durchgang 29 bis zur hinteren Containerwand 17 freibleibt und alle Teile der Anlage einschliesslich Schaltschränke 7 gut zugänglich sind.
Am Ort, wo die vorbeschriebene Vorrichtung aufgestellt und in Betrieb genommen werden soll, genügt es, für den Container eine geeignete Plattform 18 beispielsweise aus Beton vorzusehen. Um den Container 1 auf dieser Plattform zu befestigen ist mit Vorteil ein spezieller Rahmen 19 vorgesehen, welcher genau an den Container angepasst ist und diesen zumindest vorn und hinten umfasst und dadurch an einer Verschiebung hindert. Der Rahmen 19 kann mit Ankern 20 auf der Plattform 18 befestigt werden. Der Rahmen 19 ist mit Vorteil aus mehreren Teilen zusammengesetzt, welche in dem Container verstaut und in diesem angeliefert werden können. Ist der Container 1 aufgestellt und ggf. mittels des Rahmens 19 befestigt, genügt es, die Turbine 4 an ein Einlaufröhr 21 aus Kunststoff oder Stahl und die Auslaufwanne 13 an einen Auslauf- kanal 22 z.B. aus entsprechenden Materialien anzuschliessen. Hierzu müssen natürlich die vorderen Schwenktüren 2 geöffnet und der Deckel von der erwähnten Öffnung in der hinteren Containerwand 17 abgenommen werden.
Die 90° geöffneten Containertüren 2 können als Seitenwände auch noch in eine Vorraumkonstruktion 23 einbezogen werden, für deren Vorderwand 24, Decke 25 und ggf. auch Boden 26 allerdings zusätzliche plattenfδrmige Elemente erforderlich sind. Diese können allerdings , wie der äussere Rahmen 19 , bereits vorgefertigt und in dem Container 1 verstaut mit angeliefert werden. Die Vorderwand 24 ist hierbei vorzugsweise mit einer Tür 28 versehen. Weiter müssen die Vorderwand 24 und/oder das Deckenelement 25 natürlich eine Öffnung für den Eintritt des Einlaufrohres 21 freilassen.
Geeignete Wasserkraftanlagen des vorbeschriebenen Typs und von geeigneter Grδsse können komplett z.B. von einer Firma SFL Wasserkraftanlagen GmbH in D- 86707 Westendorf bzw. D- 88430 Rot an der Rot bezogen werden. In einer Ausführung mit einer doppelt regulierten Kaplan-S-Rohrtubine von 600 cm Durchmesser, mit einem Einlaufdurchmesser von 800 cm, einem Auslaufquerschnitt von 70 cm x 200 cm und bei einem Gefälle von 7 - 10 m (ergibt ca. 1200 1/s) beträgt die Netto-Leistung solcher Anlagen ca. 90 kW. Sofern bei solchen Turbinen der Wasserspiegel im Auslaufbereich ausreichend hoch eingestellt wird (z.B. knapp unter der Oberkante der Auslaufwanne 13) entsteht dort ein gewisser Stau, der es erlaubt, das Einlaufröhr nicht nur mit Gefälle, sondern auch über eine Böschung oder Geländekante hinweg abschnittsweise mit Steigung zu verlegen, wie dies Fig. 3a) zeigt. Alternativ kann der Anschluss an einen Wasserlauf natürlich auch gemäss Fig 3b) ausgeführt sein. In Fig. 3 ist der Oberwasserspiegel jeweils mit Owsp und der Unterwasserspiegel im Abflussbereich mit Uwsp bezeichnet.
Bei den übrigen im Container 1 hinter der Auslaufwanne 13 in Fig. 1 und 2 dargestellten und mit 27 bezeichneten Elementen handelt es sich um Maschinen zum Bohren, Drehen, Fräsen etc, welche mit dem erzeugten Strom betrieben und im Bereich von Anlagen der beschriebenen Art stets nützlich sind.
Es versteht sich, dass die Wasserkraftanlage in dem Container auch umgekehrt eingebaut werden könnte, so dass das Wasser in die Vorrichtung durch die Containerrückwand 17 eintritt und diese durch die vordere Tür wieder verlässt .

Claims

PATENTANSPRUCHE
1. Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Wasserkraft mit einer Wasserkraftanlage mit Turbine (4) und Generator (5) , dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserkraftanlage, zumindest jedoch Turbine und Generator der Wasserkraftanlage in einen handelsüblichen Norm-Container (1) , wie er für den Schiffs-, Luft-, Strassen- oder Bahntransport verwendet wird, eingebaut ist/sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserkraftanlage in einem Einschubrahmen (3) montiert ist, welcher in den Container (1) eingeschoben bzw. einschiebbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Einschubrahmen (3) , insbesondere zur Ausbildung von Lagerböcken für die Turbine (4) und/oder den Generator (5) ein oder mehrere mit Sand oder dergl. befüllbare Kästen (9) vorgesehen sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass an oder in den Kästen (9) Mittel (11) zum Entleeren ihres Inhaltes vorgesehen sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Halterahmen (19) vorgesehen ist, welcher dazu ausgebildet ist, am Aufstellungsort der Vorrichtung auf einem Fundamentsockel (18) befestigt zu werden und vorzugsweise den Container (1) als Ganzes aufzunehmen und auf dem Fundamentsockel (18) gegen Verschiebung zu sichern.
6. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Halterrahmen (19) für den Transport in dem Container
(1) untergebracht werden kann.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 6 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rückwand (17) des Containers 1) mit einer mit einem abnehmbarem Deckel verschliessbaren Öffnung zwecks Durchführung der Wasserzufuhr oder -abflussleitung (21,22) versehen ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der geöffneten Containertüren (2) als Seitenwände sowie weiteren Elementen (24-26) ein geschlossener Vorraum (23) aufbaubar ist, welcher mit einer Eingangstür (28) sowie einer Öffnung zwecks Durchführung der Wasserzufuhr oder -abflussleitung (21,22) versehen ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Elemente (24-26) für den Aufbau des Vorraums
(23) für den Transport im Container (1) untergebracht werden können.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (4) eine Kaplan-Rohrturbine ist.
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