KR101138525B1 - 풍력발전기 - Google Patents

Abstract

타워(26)와, 타워(26)에 장착되고 적어도 하나의 로터블레이드(32)를 갖는 로터(18) 및 전력변환유닛(28)을 포함하는 풍력발전기(10)로서, 회전 베어링과, 적어도 대략 수평인 로터축(x)과 그에 연직인 타워축(y) 사이에 놓이는 회전면(30)과, 상기 로터(18)를, 전력변환유닛(28)을 따라, 상기 로터축(x)이 적어도 대략적으로 수평방향으로 뻗는 제1 위치로부터, 상기 로터축(x)이 적어도 대략적으로 수직방향으로 뻗는 제2 위치로 회전시키기 위한 적어도 하나의 모터(42), 그리고 상기 로터(18)의, 제1 위치로부터 상기 전력변환유닛(28)을 따라 제2 위치로의 회전을 유발하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

풍력발전, 로터, 블레이드, 전력변환, 발전기

Description

풍력발전기{WIND POWER PLANT}

본 발명은, 타워(tower)와, 타워에 장착되고 적어도 하나의 로터블레이드(rotor blade)를 갖는 로터(rotor), 그리고 대기의 자연이동의 운동에너지(kinetic energy)로부터 전력을 생성하기 위한 전력변환유닛으로 이루어지는 풍력발전기에 관한 것이다.

발전을 위한 풍력에너지는 그 중요성에서 사용이 증가하고 있다. 그렇지만, 이런 종류의 환경적으로 무한정의 발전방식이 갖는 기술적 문제점은 바람의 불규칙함에서 비롯된다. 풍력에너지의 이용에 따른 문제점, 즉 때때로 발전하기에는 약한 바람만 부는 문제점과 아울러, 지나치게 높은 풍속이 발생하여 바람의 공기역학적인 힘에 의한 풍속발전설비의 손상을 방지하기 위해 풍속발전설비를 폐쇄해야 하는 문제점이 풍력에너지 이용을 좌절시키고 있다. 그렇지만, 풍력발전기가 높은 풍속뿐만 아니라, 풍속의 난기류 강도에 의해서도 손상된다. 동시에, 난기류 강도는 풍속변화량의 표준편차와 풍속의 평균치의 비로 정의된다.

사이클론의 영향을 받지 않고, 돌풍의 최대치가 70m/s보다 높지 않는 풍속을 나타내는 지상의 영역에서, 피해에 대비하여 발전설비를 안전하게 보호하는 기술적인 해결책들이 있다. 이들 영역에서, 풍속이 증가하면서 난기류 강도는 차츰 감소된다. 맹렬한 허리케인에서 난기류 집중치는 명확하게 10%미만이다.

사이클론이 발생하는 지역에서, 그 상황은 전적으로 상이하다. 예년에 걸쳐 중국 남부에 있는 풍력발전기에서의 경험들에 의해 명백해진 바와 같이, 사이클론의 눈이 풍력발전지역을 통해 지나가면, 풍력발전기들은 클래스 4 및 5, 즉 60m/s을 넘는 풍속의 사이클론을 감당할 수 없다. 2006년에는, 중국 저장성 지방에 풍력발전기의 28개 발전설비들 중 25개가 심각하게 손상되었으며 약 10개의 발전설비가 사용불능이었다. 여기서 로터블레이드들이 끊어져 나가고, 나셀(nacelle)들이 타워로부터 떨어지며, 타워들이 꺾여지고, 타워 플랜지들이 해체(tear apart)되며, 그리고, 기저부(foundation)들이 지면으로부터 뽑혀나가기까지 한다. 최대 풍속은 86m/s으로 측정되었다. 대부분의 풍력발전기는 부하(load)에 대해 1.35의 안전여유를 갖고 60m/s의 최대풍속(Vw)에 대비하여 설계될 뿐이다.

예년에는 다수의 사이클론들이 강력하게 발생하고 그럼으로써 풍력발전기들에 있어서 더 큰 피해의 위험이 우려된다. 전 세계적인 풍력이용의 확산이 강력하게 조성됨으로써 풍력발전기도 또한 사이클론의 위험을 안은 채 여러 지역에서 더욱더 세워지고 있다(예를 들어, 인도, 중국, 대만, 일본 등).

사이클론에 대해서는 풍속이 사이클론의 눈의 벽부에서 강력하게 상승함은 물론, 동시에 난기류 강도는 맨 가장자리 영역에서 증가한다. 난기류치 강도(turbulence value intensity)의 60%에 도달하는 동시에 풍속은 90~100m/s에 이 를 수 있다. 블레이드의 길이방향 축에 대해 횡단하는 이러한 공기의 흐름에 의해 타격을 받는 로터블레이드가 피해없이 견뎌내기 어렵다. 이러한 강력한 난기류의 흐름에 의한 공기역학적인 자극(aerodynamic excitation)은 블레이드 구조상 가장 전체적인 파괴를 초래할 가능성이 있는 가장자리를 따른 방향 및 날개를 따른 방향에서 극심한 진동을 일으킨다.

이러한 높은 부하(load)에 대비하여 구조물의 치수를 특정하는 것은 블레이드 하중을 매우 높게 하고, 또한 전체 발전설비의 비용을 심각하게 증가시키며 그럼으로써 비용효율성을 현저하게 떨어뜨린다.

또한, 사이클론의 리스크가 있는 지역에 세워진 해외의 발전설비들의 경우에 특유의 문제가 발생한다. 이들은 해안에서 떨어진 해상에 세워짐으로써, 사이클론의 에너지가 아직 열화되지 않고 풍속이 여전히 높은 시점에서 사이클론에 의해 타격을 받을 수 있다. 이러한 지역에 있는 더 많은 수의 해상 풍력발전기들은 매년 심각한 피해를 입을 높은 개연성이 있다. 운용 및 수리비용이 극적으로 증가할 수 있고 결과적으로 보험회사들이 그러한 계획에 대해 보험계약을 하지 않으려 하고 은행들은 그러한 사업에 융자하지 않으려 하기 때문에 이러한 피해는 감수할 수 없다.

한편, 상이한 해결책으로서, 로터블레이드들 및/또는 로터의 각각에 매우 높은 바람의 부하가 걸리는 경우에 나셀을, 풍력발전기의 구성요소들이 위치하되 바람이 공격하기에는 작은 영역으로서 바람 저항이 낮은 위치로 추정되는 위치로 옮기는 방안이 제시되었다. 예를 들어 독일 공개특허 DE 100 58 076 A1는 강한 바람 이 발생했을 때 풍향에 대해 연직방향으로 페터링(feathering) 위치로 로터블레이드들을 오게하고, 풍력이 증가하면 로터를 바람을 거스르는 쪽으로부터 바람이 불어가는 쪽으로 회전시키는 발전설비가 소개된다. 이와 같이 발전설비가 바람을 트랙킹(tracking)할 수 있고 그럼으로써 발전설비 전체에 대해 바람의 저항이 가장 적게 된다. 그럼에도 불구하고, 개별 로터블레이드를 고려했을 때, 로터위치의 기능으로서 길이방향 축을 가로질러 역류(flow against)될 수 있다. 그리고 역시 사이클론의 강력한 난기류로 인해 그 구조물을 강하게 자극할 수 있다. 파괴가 진행될 가능성이 크다.

유럽특허 EP 0 709 571 A2로부터 공지된 다른 발명은 2-블레이드의 로터를 갖는 나셀을, 하나의 블레이드가 블레이드 끝단(tip)으로부터 역류되도록 풍향에 비례한 위치로 옮기는 것에 관한 것이다. 확실하게 부하를 줄이는 해결방안이 주어졌지만, 사실상 시스템이 불안정하여 기능하지 못한다. 블레이드의 길이방향 축에 비례한 풍향의 편향(deviation)이, 능동적인 풍향 트랙킹 유닛(active wind-direction tracking unit)이 상당히 동적인 방식으로 보정해야할 추가적인 모멘트들을 발생시킨다. 이것이 신속하게 충분히 이루어지지 못하면, 타워에서 바람 불어가는 방향에서 풍향에 대해 직각으로 로터를 회전시키려는 모멘트들이 휠씬 더 커지게 되고 시스템은 불안정하게 된다. 또는 이러한 구성으로는 사이클론의 상황에서 견딜 수 없다.

그러므로, 본 발명의 목적은 사이클론에서의 극심한 풍속과 난기류 환경에서 로터블레이드들을 평균적인 풍향에 비례한 위치로 가져가는 것으로 구성되어, 로터블레이드에 부딪힌 흐름이 본질적으로 블레이드의 길이방향으로만 발생하고 위험한 부하자극을 수반하는 고부하(highly-loaded)의 교차류(cross current)를 회피하고, 로터블레이드는 풍향이 변하였을 때에도 안정된 방식으로 자동적으로 저부하위치로 스스로 트랙킹함으로써 이러한 방법으로 전체 발전설비에 걸리는 부하가 최소화되도록 하는 풍력발전기를 제공함에 있다.

이 목적은 청구항 1의 특징을 갖는 풍력발전기에 의해 달성된다. 종속항들은 본 발명의 바람직한 실시형태들을 나타낸다.

본 발명의 기본 아이디어는, 발전용 로터축(x)이 적어도 대략적으로 수평 정렬되는 제1 위치로부터 지나치게 높게 설비에 작용하는 공기역학적인 바람 부하에 의한 손상으로부터 풍력발전기가 보호되는 제2 위치로 로터가 이동되는 풍력발전기를 제공하는 것이다. 본 발명에 따르면, 로터의 상기 제2 위치(파킹(parking)위치)는, 적어도 대략 연직방향으로 정렬된 로터축을 갖는 헬리콥터에서의 경우와 유사한 위치로 가정한다.

이를 위해 요구되는 대략 90° 부근인 로터축(X)의 기울기는, 제1 위치에서 적어도 대략 수평방향으로 배열된 로터축(X)과 연직의 타워축(Y) 사이에 배치된 회전면(swiveling plane)에서 두 요소를 180°로 회전시킴으로써 이루어진다.

이 경우에, 로터가 타워에 대해 회전되는 회전면이, 제1 위치에서의 적어도 대략 수평의 로터축(X)과 연직의 타워축(Y), 특히 바람직하게는 회전면에서 교차하는 로터축(X)과 타워축(Y) 사이의 각의 이등분선(angle bisector)에 놓이는 것이 바람직하다. 이로써 로터축(X)과 타워축(Y)는 파킹위치에서 동일평면 상에 정렬될 수 있다.

더욱이 로터가 회전하는 것은 측정되거나 예측된 풍속이 한도를 넘을 때까지 영향을 받지 않으며, 또한 회전은 수동으로(manually)으로 조절되거나, 예를 들어 사이클론이 영향을 끼칠 우려가 있으면 제어센터에 의한 제어가 고려된다. 또한 이 경우에 그룹을 형성하도록 결합되고 공동으로 제어되는 다수의 풍력발전기에 적용이 가능하다.

바람직하게는 풍력발전기의 전력변환유닛(power conversion unit)은 로터베어링, 기어박스, 발전기 그리고 브레이크로 이루어진다(exhibit). 특히 로터가 단일의 로터블레이드와 평형추(counterweight)를 갖추는 것이 바람직하다.

또한 바람직한 실시 형태에서의 본 발명에 의한 풍력발전기는 마지막으로, 설비운전중에 생성된 전력의 일부를 저장하여, 설비가 이미 작동을 멈추거나 그리드(grid)가 더 이상 유효하지 않으며 로터를 제1 위치에서 제2 위치로 가져가야 할 때 로터의 회전운동을 위해 이용할 수 있는 전력저장수단을 갖는다.

여기에 대안책으로서 회전단계에 필요한 전력을 공급하는 내연기관(internal combustion engine)에 의해 구동되는 비상발전세트(emergency generating set)도 구비될 수 있다.

도 1은 극심한 바람의 부하에 의해 초래되는 손상에 대비하여 풍력발전기를 보호하기 위한 독창적인 원리를 도시한 것이고;

도 2는 본 발명에 의한 내륙의 풍력발전기의 특히 바람직한 실시예를 나타내는 개념도이며; 및

도 3은 독창적인 회전운동을 실행하기 위해 필요한 예시적인 회전기구를 나타내는 개념도이다.

본 발명은 도면을 참조로 더 상세하게 설명된다.

도 1A는 두 부분(two-part)의 헤드지지부(20)를 참조로, 극심한 바람의 부하에 의해 초래되는 손상에 대비하여 풍력발전기를 보호하기 위한 독창적인 원리를 설명하는 개념도를 도시한 것이다. 헤드지지부(20)는 2개의 개별적인 제1 및 제2 부재(22, 24)로 이루어지되, 그 각각은 독립되고, 제1 부재(22)가 제2 부재(24)에 관하여 회전되도록 회전면(30)에서 서로 연결된다. 상기 제2 부재(24)는 연직베어링(vertical bearing, 54)에 의해 풍력발전기의 타워(26)에 연결된다. 상기 제1 부재(22)는 전력변환유닛(power conversion unit, 28)에 연결된다.

본 바람직한 실시예에서, 전력변환유닛(28)은 로터베어링(도시 안함)에 장착된 로터 샤프트(rotor shaft, 14), 기어박스(gearbox, 50), 그리고 제너레이터(generator, 52)로 이루어진다. 그러나, 상기 전력변환유닛(28)은 단일의 로터베어링과 하나의 제너레이터(52)로도 이루어진다.

도시한 실시예에서 회전수단을 구성하는 제1 및 제2 부재(22, 24)가 서로에 대해 회전되는 회전면(swiveling plane, 30)은, 이 경우에는, 적어도 대략 수평인 로터축(rotor axis, X)과 그에 수직한 타워축(tower axis, Y) 사이의 각의 이등분선에 의해 형성된다. 바람직하게는 두 축(X, Y)의 배치(arrangement)는 이들이 회전면(30)에서 교차하도록 선택된다. 이로써 제2 위치의 로터축(X)은 타워축(Y)과 동일평면(flush)에 있게 된다. 그렇지만, 상기 제1 및 제2 부재(22, 24)는, 제1 부재(22)가 제2 부재(24) 상에서 회전할 수 있는 한, 동일할 필요는 없고, 더욱이 상이한 디자인일 수 있다. 통상적으로, 타워축(Y)과 로터축(X) 사이의 각 α는 90°~98°의 범위에 있다. 회전면(30)에서의 바람직한 각 β는 45°~49°로 귀결된다.

도 1B는 제2 위치에서의 풍력발전기와 상기 제2 부재(24)에 대해 180°로 돌려진(twisted) 제1 부재(22)를 나타낸다.

풍력발전기의 나셀(nacelle)의 구성부분으로서 상기 제1 부재(22)는 풍력발전기의 로터(18)를 유지(carry)하기 때문에, 로터(18)는 제1 부재(22)를 회전시킴으로써, 통상 전력을 생성하는 것으로 추정되는 제1 위치로부터, 로터(18)에 부착된 로터블레이드(32)의 블레이드 길이방향축(z)이 적어도 대략 연직인 면에 더 이상 향하지 않고, 적어도 대략 수평방향으로(헬리콥터 위치) 향하는 제2 위치로 회전된다. 이 상태에서 독창적인 풍력발전기의 로터(18)는, 본 실시예에서는, 로터허브(rotor hub, 12), 단일의 로터블레이드(single rotor blade, 32), 그리고 로터블레이드 평형추(rotor-blade counterweight, 16)를 갖춘 단일 블레이드(single-blade)의 로터(18)이다.

도 2는, 단일 블레이드의 로터(18)를 갖춘 풍력발전기(10)의 특히 바람직한 대표적인 실시형태에서 도 1을 참조로 한 설명과 관련해서 고찰사항을 명백히 한ㄱ것이다. 풍력발전기(10)는 토대에 설치된 타워(26), 상기 타워에 장착되고, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 제1 및 제2 부재(22, 24)와 전력변환유닛(28), 풍력발전기의 타워(26)에 연결된 제2 부재(24)로 이루어지는 나셀로 구성된다. 이 경우에 상기 제2 부재(24)는 연직 베어링(54)을 통해 타워(26)에, 바람직하게는 회전가능하게 연결됨으로써, 로터축(x)이 평균적인 풍향(the mean direction of the wind)을 향해 정렬된다.

로터(18)를 유지하는(carrying) 상기 제1 부재(22)가 회전면(30)에서 회전할 수 있도록 상기 제2 부재(24)에 연결된다.

전력생성을 위한 제1 위치에서, 독창적인 풍력발전기의 로터(18)는 도 2A에 도시된 자세를 나타냄으로써, 로터축(x)이 대략 수평방향으로 정렬된다. 풍력발전기의 손상을 초래할 수 있는 높은 풍속의 경우에, 우선 수평방향의 블레이드 위치에서 로터(18)가 제동되고, 그리고나서, 도 1에 도시된 예와 유사한 방식으로 제1 부재(22)가 제2 부재(24)에 대해 회전함으로써, 로터(18)가 도 2A에 도시된 제1 위치로부터 도 2C에 도시된 제2 위치로 이동되고, 추가로 로터(18)의 하나의 로터블레이드(32)가 예로 도시된, 타워에 대해 바람 부는 위치로 이동된다.

타워축(Y) 또는 로터축(X)에 대해 바람 부는 쪽에서 블레이드의 길이방향축(Z)이 수평방향으로 정렬되면서, 태풍의 경우에 하나의 로터블레이드가 더이상 블레이드의 길이방향축(Z)에 대해 직각으로 역회전하지 않는다. 오히려 로터(18)는 단지 블레이드의 길이방향축(Z)을 따라 평형추(16) 쪽으로부터 역회전할 뿐이다. 로터(18)가 로터축(X) 둘레로 회전이 자유로움으로 인해서, 풍향이 바뀔 때에 로터블레이드(32)는 항상 스스로 그 방향으로 트랙킹(tracking)함으로써, 로터블레이드(32)가 절대로 블레이드의 길이방향축(z)에 직각으로 역회전하지 않으며, 그로써 파괴를 일으키는 바람의 유입이 저지된다. 도 2B는 대략 90°회전한 후의 중간위치(intermediate position)를 나타낸다.

이러한 회전운동을 위해, 로터 베어링, 기어박스(50), 그리고 제너레이터(52)와 같은, 로터(18)에 기계적으로 연결된 모든 요소들도 마찬가지로 회전된다. 회전운동을 실행하기 위해, 바람직하게는 상기 제1 및 제2 부재(22, 24)가 슬라이딩 베어링(sliding bearing)에 의해 서로 연결된다. 그렇지만, 그 위에 볼 베어링도 구비될 수 있다.

더욱이, 독창적인 풍력발전기는 풍속을 검출하는 적어도 하나의 센서를 가지며, 특히 바람직하게는 풍력이 미리 설정된 값을 초과했을 때 바람직하게는 블레이드의 수평위치에서 로터(18)가 제동되고, 제1 부재(22)가 제1 위치로부터 제2 위치로 회전되도록 하는 제어유닛을 갖는다. 풍력발전지역에 복수의 설비가 사용되면, 일부만 센서가 구비되어, 측정된 데이터가 풍력발전지역에 설치된 각각의 풍력발전기들에 전해짐으로써, 개별 풍력발전기 또는 풍력발전기들의 그룹들 또한, 로터(18)를 제1 위치로부터 제2 위치로 옮김으로써, 스위치오프된다. 풍력발전지역 전체의 작동을 끄는 것도, 예를 들어 사이클론이 접근하는 극심한 상황이 검출되었을 때 중앙제어명령에 의해 수동으로 제동될 수 있다.

도 3은 설계상으로 회전면(30)에 장착된 회전베어링으로서, 슬라이딩 베어링과 비틀림 볼베어링(slewing ball bearing)를 갖춘 경우를 나타낸다.

도 3A에서, 제2 부재(24)에는 축방향 및 방사상으로 전달되는 부하를 수용하기 위한 3개의 슬라이딩 베어링 부재(34)가 구비된다. 이들은 제1 부재(22) 및 스크류(44)를 갖는 클램핑 플레이트(36)를 통해 장력이 가해진다. 클램핑 플레이트(36)는 내측에서 맞물려(toothing) 구비된다. 기어박스(40) 및 구동모터(42)를 경유하여 제2 부재(24)에 대한 제1 부재(22)의 회전이 가능하도록 피니언(pinion, 38)이 내측에서 맞물려 결합된다. 기어박스 지지부(56) 위로 기어박스(40)가 제2 부재(24)에 견고하게 연결된다. 기후에 대해 슬라이딩 베어링을 보호하기 위해 제1 부재(22) 및 제2 부재(24)가 씰(46)로서 외부로부터 씰링된다.

도 3B는 비틀림 볼베어링(48)를 갖춘 회전 베어링의 개념도를 나타낸다. 여기서, 두 회전 베어링의 링(ring)들은 제1 및 제2 부재(22, 24)에 연결된다. 여기서 또한, 씰링부재(46)가 외부의 기후영향에 대해 베어링유닛을 보호한다. 기어박스(40)와 구동모터(42)로 이루어진 구동유닛은 슬라이딩 베어링의 경우와 동일한 구조를 가지며, 바람직하게는 필요한 내측 맞물림수단이 비틀림 볼베어링의 내측 링에 장착된다.

아울러, 회전베어링은 제1 위치 및 제2 위치를 보호하기 위한 적어도 두 개의 한계위치스위치(limit position switch)를 가짐으로써, 이에 상응해서 구동모터(42)가 스위치오프되거나 구동모터(42)의 회전방향이 반대로 된다.

마지막으로, 그리드 정전(grid outage)이 검출되었을 경우에 대비하여, 설비에 회전운동 실행을 위한 충분한 전력을 제공하는 비상발전세트 또는 배터리저장유닛이 구비된다. 바람직하게는 이들 전력저장수단은, 스위칭오프 과정 중에 적어도 하나의 구동모터(42)로의 전력공급을 확보하기 위해 풍력발전기의 운전진행 중에 충전되도록 설계된다.

Claims (8)

1. 연직의 타워축(Y)을 갖는 타워(26);

   상기 타워(26)에 장착되고 적어도 하나의 로터블레이드(32)를 가지며 로터축(X)을 갖는 로터(18);

   상기 로터(18)에 기계적으로 연결된 전력변환유닛(28);

   상기 로터축(X)과 상기 타워축(Y) 사이에 놓이는 회전면(30)에 장착된 회전베어링(swivel bearing);

   상기 로터(18)를, 전력변환유닛(28)을 따라, 상기 로터축(X)이 수평방향으로 뻗는 제1 위치로부터, 상기 로터축(x)이 수직방향으로 뻗는 제2 위치로 회전시키기 위해, 상기 회전면(30)을 사이에 두고 연결되어 구동모터(42)에 의해 서로에 대해 회전되도록 상기 전력변환유닛(28)에 연결된 제1 부재(22)와 상기 타워(26)에 연결된 제2 부재(24)를 갖는 회전수단;

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 회전면이, 상기 제1 위치에 있는 로터축(X)과 그에 연직한 타워축(Y) 사이의 각 이등분선(angle bisector)에 놓이는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
3. 제1항에 있어서,

   상기 로터축(X)과 상기 타워축(Y)이 상기 회전면(30)에서 교차하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
4. 제1항에 있어서,

   미리 설정된 풍력이 초과할 때, 상기 로터(18)가 로터블레이드(32)의 수평위치에서 제동되게 하고 나서 상기 제1 부재(22)가 상기 제1 위치에서 상기 제2 위치로 회전되게 하는 제어유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
5. 제1항에 있어서,

   상기 구동모터(42)를 위한 전력을 저장하는 전력저장수단을 더 포함하여,

   풍력발전기의 작동중에 생성된 전력의 일부가 상기 구동모터(42)의 전력공급을 위해 상기 전력저장수단에 공급되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
6. 제1항에 있어서,

   상기 회전 베어링이 상기 제1 위치와 상기 제2 위치의 각각의 경우에 배속되는(assigned) 한계위치 스위치(limit position switch)를 갖는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
7. 제1항에 있어서,

   상기 전력변환유닛(28)이 로터 베어링, 제너레이터(generator, 52), 기어박스(gearbox, 50) 및 브레이크를 갖는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
8. 제1항에 있어서,

   상기 로터(18)가 하나의 로터블레이드(rotor blade, 32)와 평형추(counterweight, 16)를 갖는 단일 블레이드 로터인 것을 특징으로 하는 풍력발전기.

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