fundamentos pv - jan2016 - parte i

7/25/2019 Fundamentos PV - JAN2016 - Parte I

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FUNDAMENTOS DE

ENERGIA SOLAR

FOTOVOLTAICA

Rio de JaneiroJan/2016


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Apresentar os fundamentos da gerao solar fotovoltaica

Fundamentos de Energia Solar Fotovoltaica

Objetivo

Contedo

1Panorama da Energia Solar no Brasil

2Panorama internacional da Energia Solar

3Tecnologias para Aproveitamento da Energia

Solar

4Fundamentos da Energia Solar e da Tecnologia

Fotovoltaica

5Sistemas Fotovoltaicos

* Sistema Fotovoltaico Isolado da Rede (SFI)* Sistema Fotovoltaico Conectado Rede Eltrica (SFCR)


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1 Panorama da Energia Solar no Brasil



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Prevalecncia de sistemas Off Grid

1 nico fabricante de renome

Sistemas On Grid no aceitos pelas distribuidoras

Resoluo Normativa ANEEL 482/2012

P&D ANEELProjetos mdio e grande porte das distribuidoras

Exigncias tcnicas das distribuidoras

Reviso RN 482/2012: Incio da flexibilizao

1284 sistemas homologados (Out/2015)

Nova reviso RN 482/2012: Compartilhamento e novas potncias

Off Grid continua: Incentivo PRONAF, Iluminao estradas, backup

1 Panorama da Energia Solar no Brasil



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2 Panorama Internacional da Energia Solar



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Sistemas On Grid: 2 tipos de medio

Players de grande porte em todas as reas

Distribuidoras mais adequadas ao processo: Regras mais flexveis

Alemanha, Europa, Japo, China, USA

Gigawatts: Preocupao com a intermitncia => Sistemas dearmazenamento

Tendncias: Hbrido e minigrids

2 Panorama da Internacional da Energia Solar



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3 - Tecnologias para Aproveitamento da Energia Solar



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Coletores solares trmicos para aquecimento de gua

-Baixa e mdia temperaturasResidncias, hotis, clubes, hospitais,

processos industriais, etc.




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Concentradores solares trmicos para gerao de energia eltrica

-Alta temperatura - Produo de vapor para movimentar as ps de uma turbinaacoplada a um gerador eltrico.

-Gerao indireta de energia eltrica.


CalhaParablica

PratoParablico

9 Plantas FV - Calhas ParablicasLuz International Ltd. - 1984-1990

354 MW -+ 15 MWe a 80 MWe



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Mdulos solares fotovoltaicos (sem concentrador) para gerao deenergia eltrica

-

Gerao direta de energia eltrica pelo efeito fotovoltaico.-Sistemas de pequena potncia (W, kW) ou de grande potncia (MW).

- a tecnologia dominante para gerao de energia eltrica a partir da energiasolar.

MdulosFotovoltaicos




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Sistemas solares fotovoltaicos com concentrador

-Plantas Fotovoltaicas - Sistemas de grande potncia (kW, MW)

Concentradorparablico

Concentrador comlente de Fresnel

Planta fotovoltaica com SFVC




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SISTEMASFOTOVOLTAICOS

GERAR ENERGIA ELTRICADIRETAMENTE A PARTIRDA ENERGIA DO SOL

Sistemas Fotovoltaicos - Conceitos

Energia Solar

Sistemas Fotovoltaicos

Duas Configuraes Bsicas:

=> Sistemas Isolados/Autnomos=> Sistemas conectados Rede




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Sistemas Fotovoltaicos - Conceitos


SISTEMASFOTOVOLTAICOS

ISOLADOS

ATENDIMENTO DE LOCAISSEM ACESSO REDE

ELTRICA OU APLICAESAUTNOMAS

A ENERGIA GERADA ARMAZENADA

Sistemas FotovoltaicosConectados Rede

Eltrica

Gerao DISTRIBUDAou Planta Centralizadade Energia Eltrica

(Usinas)

A energia gerada injetada na rede



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4 - Fundamentos da Energia Solar e Tecnologia

Fotovoltaica



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Radiao solarForma de transferncia de energia vinda do Sol atravs da

propagao de ondas eletromagnticas.-O Sol est a aprox. 150.000.000 km da terra.

-As radiaes emitidas pelo Sol atingem a camada externa da atmosferaterrestre com intensidade que depende da distncia Sol-Terra.

A intensidade mdia conhecida como constante solar(GAM0)

GAM0 = 1.366 W/m2

Potencial energtico do Sol2 semanas de sol => todas as reservas de combustveis fsseisconhecidas

Potencial solar = 200 x potencial (hidrulico + elico + biomassa +mars + geotrmico + ondas)

Componentes da radiao Solar-radiao direta

-radiao difusa

-radiao devida ao albedo

4 - Fundamentos da Energia Solar e Tecnologia Fotovoltaica



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Componentes da radiao solar- Radiao solar direta- Radiao solar difusa

- Radiao devida ao albedo

Radiao SolarComponentes

- Direta- Difusa- Albedo

Irradincia Irradiao




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Conceito de irradincia

ABNT NBR 10899:2013 Energia solar fotovoltaica - Terminologia

Irradincia solar (G) - Taxa na qual a radiao solar incide em umasuperfcie, por unidade de rea desta superfcie, normalmente medida emwatt por metro quadrado (W/m2).

Irradincia direta (GDIR) - Irradincia solar incidente em uma superfcie,sem ter sido espalhada pela atmosfera, podendo ser horizontal ou normal.

Irradincia difusa (GDIF) - Potncia radiante do cu, recebida em umaunidade de rea em uma superfcie horizontal, excluda a irradincia direta.

Irradincia global (GHOR) - Potncia radiante solar, recebida em umaunidade de rea em uma superfcie horizontal, que igual irradincia diretamais a irradincia difusa.

Albedo - ndice relativo frao da energia radiante solar, recebida em uma unidade derea, devida refletncia dos arredores e do solo onde est instalado um dispositivo. A

irradincia devida ao albedo simbolizada por GALB Irradincia total (GTOT) - Potncia radiante solar total com as componentes

direta, difusa e de albedo, recebida em uma unidade de rea em umasuperfcie com inclinao qualquer.




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Conceito de irradiao

ABNT NBR 10899:2013 Energia solar fotovoltaica - Terminologia

Irradiao solar (I ou H) - Irradincia solar integrada durante um intervalode tempo especificado, normalmente uma hora ou um dia.

-Medida em watt hora por metro quadrado ou Joule por metro quadrado(Wh/m2 ou J/m2).

- simbolizada por I, quando integrada em uma hora

H, quando integrada em um dia Irradiao difusa - Irradincia difusa integrada durante um intervalo de

tempo especificado -IDIF ou HDIF

Irradiao direta - Irradincia direta integrada durante um intervalo detempo especificado -IDIR ou HDIR

Irradiao global - Irradincia global integrada durante um intervalo detempo especificado -IHOR ou HHOR

Irradiao total - Irradincia total integrada durante um intervalo de tempo




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INSTANTNEA(Potncia/m2)

INTEGRADA(Energia/m2)

Irradincia (W/m2) Irradiao (Wh/m2)

Irradincia e Irradiao -Medio - Unidades

RADIAO SOLAR

Medio de irradincia Unidades usuais

Irradincia -W/m2kW/m2

Irradiao -Wh/m2/diakWh/m2/dia


Piranmetro kWh/m2/anoFundamentos de Energia Solar Fotovoltaica


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Procedimentos para levantamento do recurso solar- Radimetros x modelos computacionais

RadimetrosMedem a irradincia

Estaes solarimtricas no solo Instalao, distribuio espacial,manuteno, coleta de dados, ...

Modelos computacionaisEstimam a irradincia ou irradiao a partir dedados meteorolgicos e de outros tipos.

Validao dos dados Baseada em dados medidos, obtidos de estaessolarimtricas.

Incertezas e erros

- Bancos de Dados de Irradiao

- Dados histricos10 anos ou mais -+ mdia histrica

- Dados de irradincia => Clculo da Irradiao

- Estaes SolarimtricasNo solo- ModelosDados de satlite => Modelo BRASIL-SR (INPE)

- Projeto SWERAATLAS BRASILEIRO DE ENERGIA SOLAR




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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

CURVA DE IRRADINCIA DIRIA (W/m2)03/Dezembro/2006 - FLN (27S)

--------- Horizontal

--------- Inclinado 27o

Energia ?

Wh/m2?

Comportamento horrio dirio Irradincia (W/m2)

W/m2




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00:00

Hora

Wh/m

2

Horizontal6006.746 Wh/m2

Inclinada (27)

5.931 Wh/m2

Irradiao

03/Dez/2006



W/m2

1200



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IRRADINCIA Horizontal x Inclinada

Florianpolis

15/Maro/2006

800

600

400

200

0

1000

0 2 20 2212 14 16 18

Hora

Irradincia

(W/m2)

Irradincia Horizontal Irradincia Inclinada

4 6 8 10

Irradiao Horizontal

Irradiao Inclinada

6,43 kWh/m2/dia

6,88 kWh/m2/dia



W/m2

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Horizontal

Inclinado 27

FLN04/Junho/2001

IRRADINCIA - Horizontal x Inclinada



W/m2



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Comportamento da irradiao- Ao longo do ms (Wh/m2/dia)

-Horizontal

- Inclinada (27)Janeiro

- Ao longo do ano (kWh/m2/dia)-+ Inclinada (27)

8.000

7.000

6.000

5.000

4.000

3.000

2.000

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Maro7.000

6.000

5.000

4.000

3.000

2.000

1.000

0 1 6 11 16 21 26 31




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- Mapas de irradiao global horizontal e inclinada (latitude)

- Mapas sazonais e anuais

- CD-ROM -banco de dados

Potencial Solar Brasileiro Atlas Brasileiro de Energia Solar

Modelo BRASIL-SR




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Atlas Brasileiro deEnergia Solar

Mapa de Irradiao

Global horizontal

Mdia anual

kWh/m2/dia



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Atlas Brasileiro deEnergia Solar

Mapas de Irradiao

Global horizontal

Mdia sazonal

kWh/m2/dia



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Programa RADIASOL-Calcula a irradiao (kWh/m2/dia) para diferentes ngulos de inclinao e dedesvio azimutal, a partir dos valores de irradiao global horizontal.


http://www.solar.ufrgs.br/#softwares

http://www.solar.ufrgs.br/http://www.solar.ufrgs.br/


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Tecnologia Solar Fotovoltaica

Alta tecnologia, mas de simples utilizao

No poluente e renovvel

No produz rudo

Baixa manuteno

Operao desassistida

Altamente confivel- Uso em satlites

Instalaes desde baixa

potncia (W) at MW.

Caracterstica modular-Ampliao conforme anecessidade


http://newtech.aurum3.com

http://newtech.aurum3.com/http://newtech.aurum3.com/http://newtech.aurum3.com/http://newtech.aurum3.com/http://newtech.aurum3.com/http://newtech.aurum3.com/http://newtech.aurum3.com/


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Efeito Fotovoltaico

Converso direta da energia da luz (espectro visvel) em energiaeltrica.

Clula fotovoltaica elemento que realiza a converso

Clula fotovoltaica de silcio

A tecnologia solar fotovoltaica diferente da tecnologia solartrmica, que utiliza o calor (radiao infravermelha) paraaquecimento.

CB-SOLAR / PUC RS Foto: Trajano Viana




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Tecnologias de Clulas e Mdulos Fotovoltaicos

Tecnologia tradicional - lminas de silcio cristalino

- Silcio monocristalino (m-Si)- Silcio policristalino (p-Si)

-Cerca de 80% da produo mundial de mdulos baseada nosilcio cristalino (m-Si e p-Si)

Outras tecnologias -filmes finosdepositados sobre substratosrgidos ou flexveis

- Silcio amorfo (a-Si)

- Telureto de cdmio (CdTe)

- Disseleneto de cobre e ndio (CIS)- Disseleneto de cobre, ndio e glio (CIGS)

- Micromorfo (cSi/a-Si)




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Elementos Fotovoltaicos

Clula fotovoltaica Dispositivo elementar especificamente

desenvolvido para realizar a converso direta de energia solar emenergia eltrica.

Mdulo fotovoltaico Unidade bsica formada por um conjunto declulas solares, interligadas eletricamente e encapsuladas, com oobjetivo de gerar energia eltrica.

Representao esquemtica de um mdulo fotovoltaico.

O tringulo indica o plo positivo.

String - Um ou mais mdulos fotovoltaicos inter-

montados de modo a formar uma nicaligados eletricamente,estrutura.




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Elementos Fotovoltaicos

Clula Mdulo

StringArranjo




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Funcionamento bsico da clula fotovoltaica de silcio (m-Si ou p-Si)

Uma clula fotovoltaica , essencialmente, uma juno PN dimensionada eotimizada para transformar radiao solar diretamente em eletricidade:

=> tenso contnua (VCC)

=> corrente contnua (ICC)

A tenso da barreira de potencial da juno, VB (Vbuilt in), tender a impedira recombinao de portadores gerados pela radiao incidente, os quaispodero ser utilizados no circuito externo.

Mesmo com a presena do campo eltrico interno (VB) ainda ocorreralguma recombinao, no interior e na superfcie da clula. No entanto, amaior parte dos pares eltron-lacuna ser separada, gerando a correnteeltrica para o circuito externo.

Potncia (W)




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~0,5m

N~250m

P(desenho fora de escala)


A clula fotovoltaica tpica uma lmina de silcio (espessura de 180m a250m), dopada com impureza trivalente, que d origem ao material

tipo P

Nesta lmina se faz a difuso de impureza pentavalente (p. ex. fsforo),obtendo-se uma regio tipo N, com espessura tpica de ~0.5m

-Forma-se umajuno PN -Surge a barreira de potencial (VB)

Diversos processos tecnolgicos para fabricao Silcio cristalino

Silcio




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~250m

~0,5m

NN

P


Os ftons que penetram na clula e tm energia superior banda proibida(Eg), podero ser absorvidos por eltrons da banda de valncia, os quaispassaro banda de conduo, gerando assim um par eltron-lacuna.

(desenho fora de escala)

Os eltrons fotogerados estaro disponveis no material N e devero sercoletados para constituir a corrente eltrica fornecida pela clula.

Os ftons no absorvidos sairo novamente ao exterior pela face no

iluminada e, como os refletidos, no sero teis para a fotogerao. A clula possui uma camada antirefletora (ARC), aplicada sobre a face

iluminada, destinada a reduzir a reflexo e aumentar a eficincia.




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Contatotraseiro


A grade metlica na superfcie frontal destinada a coletar os eltronsfotogerados -plo negativo

Na superfcie traseira existe um contato metlico destinado a retornar oseltrons que deixaram a superfcie frontal -plo positivo

N

P

Clula vista de cima

Contatofrontal

ARC

Juno




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O caminho do silcio at a clula fotovoltaica (m-Si ou p-Si)



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Obteno do silcio monocristalino Processo Czochralsky

ProcessoCzochralsky



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Mdulos de silcio cristalino -Tecnologia tradicionalSilcio monocristalino (m-Si) e silcio policristalino (p-Si)



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Outras Tecnologias Filmes finos

- Silcio amorfo (a-Si)

- Telureto de cdmio (CdTe)

- Disseleneto de cobre e ndio (CIS)

- Disseleneto de cobre, ndio e glio (CIGS)

- Micromorfo (cSi/a-Si)


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Mdulos de filme fino de a-Si



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Mdulos de filme fino -Principais Caractersticas

Utilizam pouca matria prima

c-Si - 250m (0,25mm) de espessuraa-Si - 1m (0,001mm) de espessura

Substratos -Rgidos (vidro) ou flexveis (ao inoxidvel)

-Planos, curvos, transparentes

Boa aparncia esttica-Elementos arquitetnicos

-Mdulos FV semitransparentes => luz natural

Integrao monoltica entre clulas

-Clulas multijuno - VOC elevado

Processos automatizados => baixo custo de produo, se produzidosem grande escala.




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Caractersticas eltricas dos mdulos fotovoltaicos

Condies-padro para ensaio - STC - Standard Test Conditions

- Temperatura de juno da clula: 25C

- Irradincia total: 1000W/m2, normal superfcie de ensaio

- Espectro solar para AM 1,5

Massa de Ar - AM (Air Mass) - Razo entre o caminho tico percorrido pelosraios solares na atmosfera e o caminho vertical na direo de znite ao nveldo mar.


AM = S OZ O

AM 0AM 1AM 1,5



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Corrente de Curto-Circuito (ISC) - corrente de sada de um conversorfotovoltaico, na condio de curto-circuito, e para valores preestabelecidosde temperatura e irradincia total.

Caractersticas eltricas dos mdulos fotovoltaicos

(VOC) - tenso gerada por um conversoraberta), para valores preestabelecidos de

Tenso de Circuito Abertofotovoltaico sem carga (sada

temperatura e irradincia total.


VOCV

A ISC



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Curva caracterstica ou Curva I-V => representao dos valores dacorrente de sada de um conversor fotovoltaico, em funo da tenso, paracondies preestabelecidas de temperatura e de irradincia total.

Curva I-V de uma clula

(watt-pico) PMP - potncia nominal de sada de um mdulo (@ STC) -WpPMP = IMP x VMP (@ STC)


VOC

ISC

VMP

IMP

Ponto de Potncia Mxima - PMPPonto da curva caracterstica deum conversor fotovoltaico onde oproduto da corrente pela tenso mximo.

Valores notveisISC =

VOC =

IMP =

VMP =

PMP =



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Curvas caractersticas (I-V) de mdulo fotovoltaico

-Influncia da Irradincia (W/m2)

Curvas I-V de um mdulo para vrios nveis de Irradincia (W/m2),com temperatura constante em 25C.



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Curvas caractersticas (I-V) de mdulo fotovoltaico

-Influncia da Temperatura

Curvas I-V de um mdulo para vrias temperaturas das clulas,com Irradincia constante em 1000W/m2 e AM 1,5.



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potncia mxima fornecida pela clula (ou mduloo produto da rea do clula (ou do mdulo), pela

Razo entre afotovoltaico), eirradincia total.

AMT

ACT

- rea total do mdulo

- rea total da clula

.100%PMP

(AMT

ou ACT

).GTOT

(%)


Parmetros caractersticos

Eficincia de converso ()

= Po / PiPo = potncia obtida na sada do conversorPi = potncia da radiao solar incidente sobre a rea

do conversor (clula ou mdulo) fotovoltaico

Eficincia de converso de clula ou mdulo - (%)



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Eficincia de converso (Mdulos comerciais @ STC)

14 - 17 %12 - 15 %

6 - 9 % (estabilizado)

m-Si p-Si

a-Si

CdTe

CIGS

-Si

7 - 10 %

9 - 11 %

~ 8 - 9 %

Escolha da Tecnologia

Aspectos energticos

Aspectos arquitetnicosEstticaAplicao

rea disponvelPotncia instalada (Wp)

Maior eficinciaMenor rea

Eficinciarea




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Coeficientes de temperaturaO aumento da temperatura de operao, de um modo geral, tem efeito

negativo no desempenho dos dispositivos fotovoltaicos, reduzindo a eficinciade converso.

Coeficiente de temperatura sobre a tenso ()VOC diminui acentuadamente

Coeficiente de temperatura sobre a corrente ()ISC aumenta ligeiramente

Coeficiente de temperatura sobre a potncia ()A potncia mxima diminui, pois o efeito da temperatura sobre VOC maior do

que sobre ISC.

O coeficiente depende da tecnologia e em geral negativo.

Normalmente esses parmetros so especificados na folha de dadosdo mdulo, para irradincia de 1000 W/m e AM 1,5.

Exemplo para m-Si:

= -0,14 V/C = +2,2 mA/C = -0.38 %/C

F d t d E i S l F t lt i

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