DISPOSITIVO DE CONCENTRACION DE LA RADIACION SOLAR, CON ESPEJOS Y RECEPTOR LONGITUDINALES.

Dispositivo de concentración de la radiación solar (4), con espejos (7) y receptor (1) longitudinales,

siendo los espejos de sección recta circular, con radio de curvatura que es el doble de la distancia transversal desde el centro (35) de cada espejo al punto central (3) del receptor, cuya anchura es 1% de la distancia transversal desde dicho punto central al centro (89) del espejo más alejado (32).La anchura de cada espejo se determina según la deriva de los rayos reflejados al enfocar el espejo al sol, prescribiendo una anchura igual para todos, e igual ala anchura de la cara activa (2) del receptor en los montajes según el meridiano, y el triple de esa anchura en los montajes según el paralelo; instalándose los espejos de modo contiguo; y el receptor en alto sobre unos báculos (8)

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201000644.

Solicitante: UNIVERSIDAD POLITECNICA DE MADRID
UNIVERSIDAD NACIONAL DE EDUCACION A DISTANCIA
.

Nacionalidad solicitante: España.

Provincia: MADRID.

Inventor/es: MARTINEZ-VAL PENALOSA,JOSE MARIA, ABANADES VELASCO,ALBERTO, MUÑOZ ANTON,JAVIER, AMENGUAL MATAS,RUBEN, MONTES PITA,MARIA JOSE, ROVIRA DE ANTONIO,ANTONIO, AMENGUAL MATAS,R. RUBEN, ROVIRA DE ANTONIO,ANTONIO J.

Fecha de Solicitud: 19 de Mayo de 2010.

Fecha de Publicación: .

Fecha de Concesión: 7 de Julio de 2011.

Clasificación Internacional de Patentes:

  • F24J2/10 SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA.F24 CALEFACCION; HORNILLAS; VENTILACION.F24J PRODUCCION O UTILIZACION DEL CALOR NO PREVISTOS EN OTROS LUGARES (sustancias a este efecto C09K 5/00; motores u otros mecanismos para producir una potencia mecánica a partir del calor, véanse las clases apropiadas, p. ej. F03G para utilización del calor natural). › F24J 2/00 Utilización del calor solar, p. ej. colectores de calor solar (destilación o evaporación del agua utilizando calor solar C02F 1/14; aspectos de la cubierta del tejado relativos a los dispositivos colectores de energía E04D 13/18; dispositivos que producen una potencia mecánica a partir de energía solar F03G 6/00; dispositivos semiconductores especialmente adaptados para convertir la energía solar en energía eléctrica H01L 31/00; células fotovoltaicas [FV] que incluyen medios directamente asociados con la célula FV para utilizar energía calorífica H01L 31/0525; módulos FV que incluyen medios asociados con el módulo FV para utilizar la energía calorífica H02S 40/44). › teniendo reflectores como elementos de concentración.
  • F24J2/54B4

Clasificación PCT:

  • F24J2/10 F24J 2/00 […] › teniendo reflectores como elementos de concentración.
  • F24J2/54 F24J 2/00 […] › especialmente adaptados para el movimiento rotativo.

Fragmento de la descripción:

Dispositivo de concentración de la radiación solar, con espejos y receptor longitudinales.

Sector de la técnica

La invención se encuadra en el campo de las centrales de energía solar que requieren concentración de la radiación originaria, que en este caso es reflejada por una serie de espejos longitudinales cuyos ejes más largos son horizontales o levemente inclinados, y orientables en sentido transversal por girar alrededor de su eje de simetría longitudinal; enfocándose la radiación reflejada sobre un receptor asimismo longitudinal, con su eje largo horizontal o levemente inclinado, y con cierta inclinación en sentido transversal, y paralelo a los ejes de los espejos. Dicho receptor puede tener estructuraciones muy diversas y estar compuesto de materiales muy diferentes, pues puede dedicarse a usos térmicos de alta temperatura, a conversión fotovoltaica, a procesos fotoquímicos o termoquímicos, o a cualquier fenómeno que necesite radiación electromagnética de tipo visible o infrarrojo cercano. En todo caso, el receptor tendrá una superficie o cara activa, que es lo verdaderamente relevante a efectos de esta invención, y es la zona en la que incide y se absorbe la radiación concentrada. Esta zona puede ser la superficie de un conjunto de fotodiodos para llevar a cabo la generación directa de electricidad por efecto fotovoltaico; o una superficie absorbente de la radiación, conectada físicamente con un conjunto de tubos paralelos, cuyos ejes son paralelos a su vez a los espejos longitudinales y por cuyo interior circula un fluido calorífero que transporta el calor solar absorbido hasta un fin útil, como puede ser un ciclo termodinámico de producción de potencia.

Antecedentes de la invención

Como antecedentes de campos de espejos orientables hay muchos, pero particularizando al caso longitudinal horizontal plano cabe citar la solicitud internacional WO 99/42765, en la cual el receptor es un tubo longitudinal similar al usado en los colectores de tipo cilindro-parabólico, como el descrito en la patente US 4,243,019, y varias otras. Otros antecedentes que cabe reseñar son los siguientes: WO 2009/029277 A2, sobre una configuración Fresnel de reflexión convencional con receptor multitubo, y numerosas variantes de configuración, aunque sin prescripciones numéricas de montaje, y con reivindicaciones muy genéricas; usando espejos planos en sus figuras 3 y 4, y cóncavos, sin especificar más, en la 12, tratando también la configuración de circuitos hidráulicos en el receptor multitubo, sin tener en cuenta la apertura natural de la luz solar; WO 2009/023063 A2, sobre un receptor inclinado respecto del suelo, con estructura asimétrica para favorecer la captación de la radiación; WO 2006/000834 A1, que propone espejos con múltiples facetas planas, y trata además sobre mecanismos para enfocar convenientemente los espejos planos sobre el receptor; WO 02/12799 A2, sobre un concentrador biparabólico alrededor del tubo receptor, que menciona, sin especificaciones geométricas, "flat rotating mirrors" en el campo de espejos, en sus reivindicaciones 9 y 10; WO 02/02995 A2, sobre un sistema Fresnel de reflexión básico con una modalidad novedosa para soportar el tubo; EP 2 161 516 A1, sobre un sistema Fresnel de reflexión clásico, en el que se prevé una propagación del haz con la concentración propia de los espejos con concavidad, aunque no reivindica ninguna prescripción sobre la forma de éstos; BE 1 013 565 A3, sobre un Fresnel de reflexión absolutamente básico, estando citada como antecedente en algunas de las patentes mencionadas más arriba, y que utiliza espejos con múltiples facetas planas; BE 1 013 566 A3, también sobre un Fresnel de reflexión, en este caso con espejos cóncavos para concentrar la radiación sobre el tubo receptor, aunque sin especificar ecuaciones de definición de los perfiles de los espejos ni presentar figuras ilustrativas sobre el problema de la concentración de la radiación solar, por su apertura natural.

Problema técnico a resolver

Acerca de todos estos antecedentes cabe decir que ignoran el hecho físico fundamental de que la radiación solar no está perfectamente colimada, sino que procede del disco solar, que tiene una apertura óptica desde la Tierra que vale 32' (32 minutos sexagesimales), siendo su intensidad prácticamente uniforme en todo el disco, como corresponde a radiación emitida de forma perfectamente difusa desde una superficie esférica. Esta apertura significa que la radiación incidente en un punto de la superficie terrestre no está compuesta simplemente de un rayo procedente del sol, sino que es un cono de rayos cuyo ángulo cónico vale precisamente los 32' antes mencionados. Por ende, y en función del principio de reflexión de la luz, desde el punto en cuestión no emerge un solo rayo, sino un conjunto de rayos, o haz, de apertura exactamente igual a la del haz incidente, es decir, 32'. Esta apertura equivale a 0,0093 radianes (ó 1/107,5 radianes) lo que significa que, cuando el haz recorre distancias cada vez largas, la superficie de su sección recta transversal deviene cada vez más grande, lo que produce una baja intensidad en el receptor absorbedor de la radiación solar.

Ese bajo valor de la radiación recibida impide que el fluido calorífero, que circula por los tubos del absorbedor, alcance altas temperaturas. O en el caso fotovoltaico, impide que llegue la radiación necesaria a células de alto rendimiento, que sólo se pueden fabricar en pequeñas cantidades por ser muy caras, pero que proporcionan buenas prestaciones cuando se iluminan con una intensidad decenas de veces mayor que la natural.

Con los sistemas actuales de concentración denominados Fresnel de reflexión o longitudinales, que son de construcción mucho más barata que los otros sistemas de concentración, resulta imposible conseguir altos valores de concentración de la radiación. Por tanto, el problema a resolver es alcanzar dichos valores de concentración suficientemente altos en un dispositivo de esta geometría básica, dimensionando sus elementos constitutivos de manera novedosa, teniendo en cuenta la apertura natural de la luz solar y la deriva, o desplazamiento de la trayectoria, de los rayos reflejados por un espejo, cuando éste se gira para enfocarse al sol en cualquier posición no coincidente con la de referencia, que es la empleada para definir su geometría.

Otras consideraciones previas

En la solicitud aquí presentada, la invención parte de un conjunto de espejos ligeramente cóncavos en sentido transversal, paralelos entre sí, de geometría marcadamente longitudinal, esto es, con una longitud mucho mayor que su anchura. Los espejos no tienen más que un grado de libertad de giro, y concretamente coincide su eje de giro con su eje de simetría longitudinal, que a su vez es el eje que toma apoyo en unos cojinetes cilíndricos estándar, que se asientan sobre los pilares que, cada cierto trecho de longitud, se enclavan en el suelo y soportan rígidamente los citados cojinetes, por lo cual el eje de sujeción, que es además eje de giro, se mantiene siempre fijo en esa posición de línea recta, aunque puede girar sobre su eje imaginario central. Para ello, en un extremo del eje físico va solidariamente unida una rueda dentada, un tornillo sinfín o una polea rotatoria, que por medio de un motor eléctrico o un empujador hidráulico, bien actuando a través de un engranaje directo, bien a través de cadena o correa de transmisión, obliga a que el espejo gire sobre su eje central longitudinal, tomando éste la inclinación que corresponde para que sus rayos reflejados se enfoquen sobre la superficie activa del receptor longitudinal. La invención incluye aspectos específicos novedosos sobre el perfil de sección recta de cada espejo, según su posición relativa al receptor.

Las tablas astronómicas solares permiten conocer en cada momento la situación del sol, por lo cual cabe determinar con total precisión, dentro de las tolerancias naturales solares, cuál debe ser la inclinación de cada espejo para que sus rayos reflejados incidan sobre el receptor, cuyo eje longitudinal es paralelo al conjunto de ejes de los espejos.

La precisión de la inclinación dada por el giro de cada espejo se puede garantizar por medio de colimadores solares, y las incertidumbres antes aludidas, que también afectan a los colimadores, hacen referencia al hecho de que el sol es visto desde la superficie terrestre como un disco de intensidad de radiación uniforme (pues su radiación superficial emerge de manera prácticamente difusa) de anchura diametral aparente de 32 minutos sexagesimales, según se ha dicho ya.

Con el antecedente mencionado de espejos...

 


Reivindicaciones:

1. Dispositivo de concentración de la radiación solar, con espejos (7) y receptor (1) longitudinales, basado en un conjunto de espejos (7) ligeramente cóncavos, paralelos entre sí, de geometría marcadamente longitudinal, esto es, con una longitud mucho mayor que su anchura, que son giratorios alrededor de su eje de simetría longitudinal (14), que a su vez es el eje que sirve de apoyo en unos cojinetes, que asientan sobre los pilares (9) que, cada cierto trecho de longitud, se enclavan en el suelo y soportan rígidamente los citados cojinetes, por lo cual el eje de sujeción, que es además eje de giro, se mantiene siempre fijo en esa posición de línea recta, orientándose por giro cada espejo para reflejar la radiación hacia un receptor solar (1) de carácter longitudinal paralepipédico, ubicado su eje de simetría longitudinal a una altura H sobre la altura del eje del espejo (5) más cercano al receptor (1), merced a unos báculos o pilares (8) que lo soportan, con una cara activa (2) que es por donde recibe la radiación (6) reflejada por los espejos (7), teniendo la superficie activa (2) una anchura transversal R; conteniendo el receptor (1) unos elementos interiores (19) que absorben la radiación solar, siendo dicho receptor (1) de geometría longitudinal, y su longitud mayor paralela a los ejes longitudinales (14) de los espejos, y teniendo un ángulo de inclinación transversal (90) respecto de la horizontal, habiendo un último espejo (32) que es el mas alejado del receptor, pudiéndose montar dos campos de espejos simétricamente respecto de dos receptores paralelos con las caras activas opuestas, mirando cada cara a un campo, particularmente en los montajes en los cuales los ejes longitudinales siguen el meridiano local, y montándose tanto al norte como al sur del receptor en los casos en que los ejes longitudinales de los espejos son paralelos al paralelo astronómico local, en cuyos montajes también se pueden ubicar dos receptores paralelos con las caras activas opuestas, mirando cada cara a un campo; expresándose las posiciones y ángulos en un sistema de coordenadas en el plano de trabajo empleado, que es un plano perpendicular a los ejes longitudinales, y que por tanto corta transversal y perpendicularmente al receptor y a los espejos, proyectándose sobre dicho plano de trabajo la posición del sol según los datos astronómicos, y siendo el eje de ordenadas del sistema de coordenadas en el plano de trabajo la recta vertical (10) que pasa por el punto central o medio (3) del segmento que representa la cara activa (2) del receptor (1) en el plano de trabajo, y siendo el eje de abscisas (11) la recta horizontal que pasa por el punto central (88) del segmento que, en el plano de trabajo, representa al espejo (5) más cercano al receptor (1), caracterizado por que la anchura transversal de la superficie o cara activa (2) del receptor (1) es el 1% de la distancia en línea recta existente entre el punto central (89) del espejo mas lejano del campo (32) y el punto central (3) de la superficie activa (2) del receptor (1); seleccionando el valor del ángulo agudo (115) que forma con la horizontal la recta que une el punto central (89) del espejo mas lejano del campo (32) y el punto central (3) de la superficie activa (2) del receptor (1) en un margen de valores entre 10º y 80º, con un valor de referencia de 45º; y quedando determinada la inclinación de la cara activa (2) del receptor (1) porque el segmento que marca dicha superficie en el plano de trabajo es perpendicular a la bisectriz del campo (91), siendo dicha bisectriz la del ángulo formado con las rectas que van, respectivamente, desde el punto central de la cara activa del receptor (3) al punto central (88) del espejo más cercano (5), y al punto central (89) del espejo más lejano (32).

2. Dispositivo de concentración de la radiación solar, con espejos y receptor longitudinales, según reivindicación primera, caracterizado por que la anchura de la cara activa (2) del receptor (1) se puede fijar en un valor seleccionado entre el 0,2% y el 2% de la distancia en línea recta existente entre el punto central (89) del espejo mas lejano del campo (32) y el punto central (3) de la superficie activa (2) del receptor (1).

3. Dispositivo de concentración de la radiación solar, con espejos y receptor longitudinales, según reivindicaciones primera y segunda, caracterizado porque todos los espejos tienen igual anchura, en sentido transversal, y ésta es igual que la anchura de la superficie activa (2) del receptor (1) para los montajes según el meridiano, o Norte-Sur, y tres veces dicha anchura, para los montajes según el paralelo, o Este-Oeste.

4. Dispositivo de concentración de la radiación solar, con espejos y receptor longitudinales, según cualesquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la anchura específica de cada espejo se determina en función de un valor P, que se fija por diseño, siendo este valor P el cociente entre la máxima deriva de rayos que se admite en los espejos, y el valor de la anchura R de la superficie activa (2) del receptor (1); identificándose, para el espejo en cuestión, el ángulo Agm, que en los montajes según el meridiano es la mitad del mayor ángulo de los dos siguientes:

- el que forma la recta que va desde el punto central del espejo al punto central de la superficie activa del receptor, con la recta que marca la llegada de rayos solares, en el orto efectivo, sobre el punto central del espejo;

- el que forma la recta que va desde el punto central del espejo al punto central de la superficie activa del receptor, con la recta que marca la llegada de rayos solares, en el ocaso efectivo, sobre el punto central del espejo;

y en los montajes según el paralelo es dicho ángulo Agm la mitad del que forma la recta que va desde el punto central del espejo al punto central de la superficie activa del receptor, con la recta que desde el punto central del espejo tiene un ángulo de situación sobre el eje positivo de abscisas igual a la suma del ángulo complementario de la latitud más 20º, sin poder exceder este ángulo de situación de 90º;

siendo la anchura E del espejo en cuestión la dada por la ecuación

E = 2•P•R/(1 - cosAgm)

5. Dispositivo de concentración de la radiación solar, con espejos y receptor longitudinales, según cualesquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que en la configuración del campo de espejos (7), sólo se deja entre espejos consecutivos el espacio de las tolerancias de montaje, que se pueden cifrar en un valor seleccionado entre el 0,1% y el 5% de la anchura de los espejos (7).

6. Dispositivo de concentración de la radiación solar, con espejos y receptor longitudinales, según cualesquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la longitud de los espejos (7) ha de ser igual a la longitud del receptor (1), con una longitud añadida por el lado desde el cual se va a recibir la radiación solar (4) en las horas de insolación eficiente, que es el sur en el hemisferio Norte, para los montajes según el meridiano, acortándose en igual medida los espejos por el lado norte, siendo la longitud añadida, o acortada en su caso, igual a la altura del punto medio (3) de la cara activa (2) del receptor (1), dividida por la tangente de un ángulo de inclinación de la radiación solar, seleccionado en el diseño entre 20 grados y 90 grados sexagesimales; y viceversa en el hemisferio Sur; y añadiéndose esa longitud por ambos lados respecto de la longitud del receptor, para los montajes según el paralelo local, u orientación Este-Oeste.

7. Dispositivo de concentración de la radiación solar, con espejos y receptor longitudinales, según cualesquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la altura de los centros (35) de los espejos (7) es siempre la misma, con la excepción, para el campo de espejos al Norte del receptor, en el hemisferio Norte, en los cuales la altura de los centros de los espejos en el plano de trabajo, y por ende en altitud local, puede ir aumentando a medida que los espejos se alejan del receptor, dándose la situación simétrica, respecto de la línea ecuatorial, en el hemisferio Sur, en el cual el aumento de dicha altura se aplica a los campos al sur del receptor.

8. Dispositivo de concentración de la radiación solar, con espejos y receptor longitudinales, según cualesquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los espejos (7) son de superficie cóncava hacia su lado reflectante, materializándose dicha concavidad, para cada espejo, con un perfil de sector circular con radio de curvatura igual al doble de la distancia que hay desde el punto central (35) del espejo (7) al punto central (3) de la superficie activa (2) del receptor (1).

9. Dispositivo de concentración de la radiación solar, con espejos y receptor longitudinales, según cualesquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los espejos (7) están compuestos de dos partes diferenciadas, a cada lado del punto central (35) de cada espejo (7), siendo ambas partes de concavidad circular, pero con diferentes radios de curvatura, seleccionados éstos en un margen de valores entre el doble de la distancia que hay desde el punto central (35) del espejo (7) al punto central (3) de la superficie activa (2) del receptor (1), y ese valor incrementado en un 20%; siendo la pendiente del espejo nula en su punto central, medida en el sistema de coordenadas intrínseco de cada espejo, en el cual el eje de ordenadas es la normal en el punto central (35), y en la posición de referencia del espejo coincide con la recta que une dicho punto central (35) con el punto central (3) de la cara activa (2) del receptor (1).

10. Dispositivo de concentración de la radiación solar, con espejos y receptor longitudinales, según cualesquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que en el montaje según el meridiano, el radio de curvatura, RCn, de un espejo (7) queda establecido por

RCn = 2•D/(cos ((90º - Aer)/2))

siendo D la distancia desde el punto central (35) del espejo (7) al punto central (3) de la superficie activa (2) del receptor (1), y Aer el ángulo de situación de la recta que une el punto central (35) del espejo (7) en cuestión con el punto central (3) de la superficie activa (2) del receptor (1), respecto del eje positivo de abscisas del sistema general de coordenadas, que es paralelo a la horizontal del lugar.

11. Dispositivo de concentración de la radiación solar, con espejos y receptor longitudinales, según cualesquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que en el montaje según el paralelo, se define el ángulo Acf como la suma del valor del ángulo complementario de la latitud del lugar más un valor seleccionado entre 1º y 23º, tomándose 20º como valor de referencia del sumando, sin poder exceder de 90º el valor de Acf; siendo Aer el ángulo de situación de la recta que une el punto central del espejo con el punto central del receptor, respecto del eje positivo de abscisas del sistema general de coordenadas, y siendo D la distancia desde el punto central (35) del espejo (7) en cuestión al punto central (3) de la superficie activa (2) del receptor (1), estableciéndose el radio de curvatura en los montajes según el paralelo, RCnp, en el valor

RCnp = 2•D/(cos ((Acf - Aer)/2))

12. Dispositivo de concentración de la radiación solar, con espejos y receptor longitudinales, según cualesquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que cada espejo (7) se construye por yuxtaposición de piezas planas preferentemente iguales, de anchura S, siendo esta anchura la del segmento que existe entre los puntos (111) y (112) de intersección, con el arco original del espejo (31), de los radios delimitadores (105) y (108) de un módulo poligonal, que tiene como centro el mismo centro (20) del arco original del espejo (31), correspondiendo cada módulo a una apertura angular, en el centro del círculo (20), igual a la apertura total angular (106) con la que se cubre todo el espejo original (31) dividida por el número de módulos poligonales con que se construye el espejo, lo que proporciona la apertura angular de un módulo (107), que aplicado a uno de los extremos del espejo original identifica los mencionados radios delimitadores (105 y 108) del primer módulo poligonal, identificándose también la bisectriz (109) de dicho ángulo de apertura de ese modulo, a la cual es perpendicular el segmento de espejo que hay entre los puntos de intersección (111) y (112) de los rayos extremos con el sector circular, seleccionado dicho segmento entre el segmento inscrito o circunscrito, aplicándose consecutivamente esta selección a los módulos consecutivos adyacentes, hasta cubrir la totalidad de la apertura angular del espejo; quedando las piezas planas yuxtapuestas, apoyadas en un soporte longitudinal (113), solidario a las cuadernas transversales que salen del semi-eje (114) de giro del espejo, que es solidario al eje (14) de apoyo en los cojinetes (15) que a su vez se apoyan en los pilares bajos.

13. Dispositivo de concentración de la radiación solar, con espejos y receptor longitudinales, según cualesquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el giro dado a cada uno de los espejos (7), para su enfoque al sol en cada momento, se define porque la normal (77) al espejo (7) en su punto central (35) coincide con la bisectriz (45) del ángulo formado, en el plano de trabajo, por la proyección en ese plano del rayo central (43) del haz solar incidente en ese punto central (35), y la recta que va desde este punto (35) hasta el punto central (3) de la superficie activa (2) del receptor (1), ya definida en ese plano.

14. Dispositivo de concentración de la radiación solar, con espejos y receptor longitudinales, según cualesquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la radiación solar (4) reflejada por los distintos espejos (7) incide finalmente sobre células solares fotovoltaicas situadas en la superficie activa (2) del receptor (1).

15. Dispositivo de concentración de la radiación solar, con espejos y receptor longitudinales, según cualesquiera de las reivindicaciones 1ª a 13ª, caracterizado por que la radiación solar (4) reflejada por los distintos espejos (7) incide finalmente sobre la superficie activa (2) de un receptor (1) en cuyo interior se disponen unos tubos longitudinales por los que circula un fluido calorífico que alimenta una central térmica.

16. Dispositivo de concentración de la radiación solar, con espejos y receptor longitudinales, según cualesquiera de las reivindicaciones 1ª a 13ª, caracterizado por que la radiación solar (4) reflejada por los distintos espejos (7) incide finalmente sobre la superficie activa (2) de un receptor (1) que se configura con dispositivos en los que se inducen fenómenos que producen transformaciones físico-químicas o moleculares por acción de la radiación.


 

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