半導(dǎo)體溫差發(fā)電在機(jī)車能量回收中的應(yīng)用

半導(dǎo)體溫差發(fā)電在機(jī)車能量回收中的應(yīng)用榮俊梅;于惠鈞;馬召;閔婕【摘要】利用半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)對(duì)電力機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)散熱器中的廢熱進(jìn)行回收,并將散熱器中所含的低品位能源轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在蓄電池中.通過對(duì)電力機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)余熱的回收和轉(zhuǎn)換及溫差發(fā)電性能的分析，建立了溫差發(fā)電系統(tǒng)模型;并針對(duì)溫差發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓不穩(wěn)定問題，設(shè)計(jì)了穩(wěn)壓電路;通過Matlab/Simulink仿真分析驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性，為此后的蓄電池組儲(chǔ)能奠定了基礎(chǔ).【期刊名稱】《湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)》【年(卷)，期】2018(032)002【總頁數(shù)】7頁(P19-25)【關(guān)鍵詞】余熱回收;塞貝克效應(yīng);溫差發(fā)電;帕爾貼熱計(jì)算【作者】榮俊梅;于惠鈞;馬召;閔婕【作者單位】湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲412007;湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲412007;株洲聯(lián)誠(chéng)集團(tuán)有限責(zé)任公司，湖南株洲412001;湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲412007【正文語種】中文【中圖分類】TKO180引言隨著全球能源日益緊張及環(huán)境日益惡化，節(jié)能和環(huán)保問題越來越受到人們的關(guān)注。在國(guó)家〃一帶一路”的政策指引下，我國(guó)軌道交通的發(fā)展日益成熟，關(guān)于電力機(jī)車行業(yè)的節(jié)能減排問題成為一個(gè)重點(diǎn)研究課題。電力機(jī)車在行駛過程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢熱，其中，由循環(huán)冷卻系統(tǒng)帶走的熱量約為產(chǎn)生的總熱量的40%~60%，這些熱量被直接排放到大氣中，不僅會(huì)導(dǎo)致能源浪費(fèi)，還會(huì)造成溫室效應(yīng)。半導(dǎo)體溫差發(fā)電是一種利用塞貝克效應(yīng)將熱能轉(zhuǎn)化為電能的新型發(fā)電方式，它具有無污染、無噪聲、結(jié)構(gòu)緊湊、免維護(hù)、性能穩(wěn)定等諸多優(yōu)勢(shì)［1］。早期的溫差發(fā)電技術(shù)因成本較高而僅被用于航空航天、軍事野外和海洋作業(yè)等特殊領(lǐng)域，隨著溫差發(fā)電材料的不斷研發(fā)，目前此技術(shù)正進(jìn)軍太陽能、地?zé)崮?、工業(yè)余熱廢熱等低品位能源的應(yīng)用領(lǐng)域［2-4］,應(yīng)用范圍越來越廣泛。國(guó)內(nèi)對(duì)溫差發(fā)電技術(shù)在船舶、汽車、海洋等領(lǐng)域的應(yīng)用有所涉及［5-7］，但是在電力機(jī)車廢熱的回收利用上的應(yīng)用相對(duì)較少。利用半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)可回收電力機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)散熱器中的余熱，并且將這些余熱轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在蓄電池中，供電力機(jī)車輔助供電系統(tǒng)使用。這種發(fā)電方式不僅能夠?qū)崿F(xiàn)余熱的回收與循壞利用，而且可以提高能源的使用效率，降低余熱排放量，為未來可回收能源的技術(shù)升級(jí)提供了一條新途徑。因此，本研究擬通過對(duì)余熱的回收和轉(zhuǎn)換及溫差發(fā)電性能的分析，建立溫差發(fā)電的系統(tǒng)模型，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的穩(wěn)壓電路，最后通過Matlab/Simulink仿真分析驗(yàn)證其可行性，以期為利用廢熱轉(zhuǎn)化為蓄電池組儲(chǔ)能提供一定的理論參考。1溫差發(fā)電的基本原理1.1基本效應(yīng)溫差發(fā)電的基本效應(yīng)主要包括塞貝克效應(yīng)(Seebeckeffect)、帕爾貼效應(yīng)(Peltiereffect)和湯姆遜效應(yīng)(Thomsoneffect)，這三大基本效應(yīng)為溫差發(fā)電技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，可得到全固態(tài)能量轉(zhuǎn)化裝置溫差發(fā)電器件，使得熱能和電能之間的轉(zhuǎn)換成為現(xiàn)實(shí)［8］。若將兩種不同的導(dǎo)體相連接且保持兩個(gè)連接點(diǎn)的溫差不同，則在導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)溫差電動(dòng)勢(shì)ES，此現(xiàn)象稱為塞貝克效應(yīng)。式中：為塞貝克系數(shù)；AT為溫差。若在兩個(gè)不同導(dǎo)體形成接點(diǎn)處通入電流，則接點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生放熱和吸熱現(xiàn)象，放熱或吸熱多少由電流的大小決定，此為帕爾貼效應(yīng)。它是塞貝克效應(yīng)的逆效應(yīng)，即給制冷片通入電流時(shí)，因一端會(huì)變熱另一端變冷而形成溫差；反之，當(dāng)導(dǎo)體兩端出現(xiàn)溫差時(shí)就會(huì)產(chǎn)生電流。式中：Qn為放熱或吸熱功率；n為帕爾貼系數(shù)；I為工作電流；Tc為冷接點(diǎn)溫度。在存在溫度梯度的導(dǎo)體中通入電流后，導(dǎo)體電阻會(huì)產(chǎn)生焦耳熱，另夕卜導(dǎo)體還會(huì)放出或吸收熱量，此為湯姆遜效應(yīng)。當(dāng)溫差為AT時(shí)，導(dǎo)體兩點(diǎn)間放出熱量或吸收的熱量值為式中：Qt是吸收或放出的帕爾貼熱；t是材料的湯姆遜系數(shù)?！闱闆r下，湯姆遜熱數(shù)值較小，因而在精度不高的計(jì)算中常忽略不計(jì)。1.2基本原理溫差發(fā)電偶由若干熱電單元組成，將一個(gè)P型溫差發(fā)電元件和N型溫差發(fā)電元件，在其熱端和冷端用金屬導(dǎo)體電極連接起來，即構(gòu)成了一個(gè)溫差電偶[9],如圖1所示，其中，Th為熱端溫度，RL為外界負(fù)載。將電阻負(fù)載接入溫差電偶的開路端，形成溫差電回路，當(dāng)溫差電偶的熱端有熱流流入時(shí)，則會(huì)在溫差電偶熱端和冷端之間產(chǎn)生溫差，根據(jù)塞貝克效應(yīng)，此時(shí)有電流流經(jīng)電路，從而將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能，此裝置稱為溫差發(fā)電器。圖1溫差發(fā)電基本原理Fig.1Basicprinciplesofthermoelectricpowergeneration根據(jù)塞貝克效應(yīng)，可得出溫差電偶產(chǎn)生的溫差電勢(shì)U為產(chǎn)生的電流I為輸出功率P為式(5)~(6)中R為內(nèi)阻。若要獲得最大的熱電轉(zhuǎn)換效率，必須使半導(dǎo)體溫差電組件的輸出功率最優(yōu)。當(dāng)負(fù)載電阻與發(fā)電器件本身內(nèi)阻匹配時(shí)，可獲得最大的輸出功率［10］。此時(shí)的最大熱電轉(zhuǎn)換率為式中：b為半導(dǎo)體溫差發(fā)電片熱、冷兩端的溫差與熱端溫度間的溫差比率；Z為溫差電優(yōu)值。1.3熱電轉(zhuǎn)換優(yōu)值系數(shù)德階特克希指出：較好的熱電材料必需具有較大的塞貝克系數(shù)，以保證其明顯的熱電效應(yīng)；同時(shí)，應(yīng)具有較小的熱導(dǎo)率，使熱量最大限度地保持在接頭附近；另外，電阻應(yīng)盡量小，這樣產(chǎn)生的焦耳熱就會(huì)相應(yīng)較少。此即為溫差發(fā)電原理，且其可以由溫差電優(yōu)值Z表述：式中：是溫差電元件的電導(dǎo)率；入是溫差電元件的熱導(dǎo)率。Z值的大小決定了半導(dǎo)體材料溫差電性能的好壞。Z的量綱為K-1,ZT值為無量綱優(yōu)值，它常被作為評(píng)價(jià)一種材料溫差電轉(zhuǎn)化的效率標(biāo)準(zhǔn)。2電力機(jī)車余熱溫差發(fā)電系統(tǒng)2.1溫差發(fā)電模塊在溫差發(fā)電模塊中，半導(dǎo)體熱電器件的熱端和熱源相貼連接，冷端和散熱外殼相貼連接，熱源處于中心地位。在溫差發(fā)電系統(tǒng)中，熱量從熱源經(jīng)熱電模塊再到冷源，在此能量傳遞過程中，存在熱電模塊的熱端和冷端分別與熱源和冷源之間的不可逆換熱。溫差發(fā)電器件內(nèi)部熱量傳遞過程如圖2所示，其中0為熱阻，Qc為冷端放出的熱量，Qh為熱端吸收的熱量，Po為輸出功率。圖2溫差發(fā)電器件內(nèi)部熱量傳遞示意圖Fig.2Schematicdiagramoftheinternalheattransferofthermoelectricdevices在電力機(jī)車中，熱電發(fā)電裝置由熱電發(fā)電器件和散熱肋片組成。主變流器和主變壓器發(fā)熱產(chǎn)生的熱量分別經(jīng)水管和油管到達(dá)冷卻塔，即熱端散熱片。熱端散熱片將熱量傳遞到熱電發(fā)電器件中，其中一部分熱量由熱電發(fā)電器件轉(zhuǎn)換為電能輸出；另一部分則繼續(xù)傳導(dǎo)到冷端散熱器，再將剩余的熱量經(jīng)風(fēng)機(jī)風(fēng)冷散掉，從而保證主變流器和主變壓器的正常運(yùn)行。具體的能量流動(dòng)過程如圖3所示。圖3電力機(jī)車中能量流動(dòng)圖Fig.3Aflowchartofenergyintheelectriclocomotive2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)電力機(jī)車?yán)鋮s塔中的廢熱通過溫差發(fā)電片，即帕爾貼片，將熱能轉(zhuǎn)換成電能。設(shè)計(jì)合理的散熱器模型可以充分吸收廢熱，提高熱量的利用率，進(jìn)而增加溫差發(fā)電量。經(jīng)溫差發(fā)電片發(fā)出的電能穩(wěn)壓儲(chǔ)存在蓄電池中，經(jīng)過逆變，可以優(yōu)化電力機(jī)車輔助供電系統(tǒng)。整個(gè)溫差發(fā)電系統(tǒng)包括4個(gè)部分，即熱電轉(zhuǎn)換裝置、電能優(yōu)化部分、冷卻裝置以及控制部分，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖4所示。2.3溫差發(fā)電片的選型在溫差發(fā)電市場(chǎng)上，僅利用塞貝克效應(yīng)制作的溫差發(fā)電片效率不高，且成品不夠成熟，因此，本研究選擇各方面比較成熟的帕爾貼片代替溫差發(fā)電片實(shí)現(xiàn)其功能。帕爾貼片是利用帕爾貼效應(yīng)制冷的半導(dǎo)體器件，實(shí)際應(yīng)用中的半導(dǎo)體制冷器由若干對(duì)熱電元件經(jīng)串并聯(lián)組合而成，亦稱熱電堆。目前，帕爾貼片的主要生產(chǎn)廠家有美國(guó)Hi-Z、Amerigon，日本的Denso、東芝，國(guó)內(nèi)的蘇州冰雪電子、江西納米克等。溫差發(fā)電裝置的效率主要取決于熱端和冷端的溫差、溫差發(fā)電材料的品質(zhì)因數(shù)及其結(jié)構(gòu)尺寸等［11］。根據(jù)各型號(hào)帕爾貼片的特性曲線以及尺寸大小比較分析，選擇某公司型號(hào)為TEC1-19910的帕爾貼片，該貼片由199對(duì)熱電偶組成，標(biāo)稱電流值為10A;尺寸為40mmx40mmx3.5mm;兩面均有瓷片，加導(dǎo)熱硅脂，內(nèi)阻為1.53Q,可外接10Q的電阻；其特性曲線如圖5所示。圖5TEC1-199010特性曲線圖Fig.5TEC1-199010characteristiccurves通過試驗(yàn)，測(cè)得的溫差發(fā)電性能系數(shù)(coefficientofperformance,COP)與電流的關(guān)系如圖6所示，帕爾貼片的電壓-電流關(guān)系如圖7所示。觀察圖6、7可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫差為60K時(shí)，單片的帕爾貼片TEC1-19910的電壓為5.65V，電流為0.95A，其發(fā)電功率約為5.37W。圖6溫差發(fā)電性能系數(shù)-電流關(guān)系曲線Fig.6Thermoelectricpowergenerationcoefficient-currentrelationshipcurves圖7帕爾貼片電壓-電流關(guān)系圖Fig.7Pal-chipvoltage-currentrelationdiagram3余熱回收與轉(zhuǎn)換電力機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)利用冷卻介質(zhì)內(nèi)部循環(huán)，通過強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱將機(jī)車變壓器和變流器中的熱量散發(fā)到空氣中，從而保證系統(tǒng)在正常溫度下工作。電力機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)的使用環(huán)境溫度一般為-40~+70°C,能在風(fēng)、雨、雪、鹽霧、煤塵和沙塵暴等環(huán)境下正常工作，水路、油路散熱功率分別為120,280kW，需要的最小風(fēng)量為13.12m3/s。已知半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)的熱電轉(zhuǎn)換效率較低，僅為5%~10%，因此若按5%的轉(zhuǎn)換效率計(jì)算，則400kW熱功率可轉(zhuǎn)換為20kW的電功率，在此前提下設(shè)計(jì)散熱器，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，其中出口溫度是波動(dòng)的，一般情況下為常溫，以實(shí)際測(cè)量值為準(zhǔn)。表1散熱器的主要技術(shù)參數(shù)Table1Maintechnicalparametersoftheradiator技術(shù)參數(shù)回路主變流器主變壓器換熱功率/kW120280入口溫度/C+61+105出口溫度/C25-3530~50冷卻介質(zhì)水脂油冷卻液循環(huán)量/(m3-h-24553.1熱量計(jì)算對(duì)于熱量計(jì)算，主要需要計(jì)算溫度變化，即通過對(duì)溫升的計(jì)算完成熱量計(jì)算。如果油路對(duì)水路傳熱10kW，則水路散熱功率需要增加10kW，油路散熱量需要減少10kW。對(duì)于額定點(diǎn)的空氣溫升計(jì)算，由熱力學(xué)公式可知放出的熱量Q為式中：Cp為物質(zhì)的比熱容；m為物質(zhì)的質(zhì)量；P為物質(zhì)的密度；v為體積。因此，空氣總溫升為32.10K，水路空氣溫升為10.40K，油路空氣溫升為21.70K，水路冷卻液溫升為4.47K，變壓器油溫升為9.42K。對(duì)于平均溫度的計(jì)算，做如下假設(shè)：冷熱流體的質(zhì)量流量及比熱容C是常數(shù)；傳熱系數(shù)是常數(shù)；換熱器無散熱損失。已知冷流體與熱流體的進(jìn)出口溫度，微元換熱面dS段的傳熱溫差為在固體微元面dS內(nèi)，兩種冷卻水和冷卻油的換熱量可表示為式中：K為導(dǎo)熱系數(shù)，其單位為W/(K?m)或J/(K?m);，其中Ch為熱端物質(zhì)的比熱容，Cc為冷端物質(zhì)的比熱容。可得對(duì)數(shù)平均溫差A(yù)Tm公式為：對(duì)水求其平均溫差為11.55K，對(duì)變壓器油求平均溫差為49.12K，總溫差為60.67K。3.2余熱回收考慮到利用的余熱主要來自冷卻系統(tǒng)的散熱器，因此如何設(shè)計(jì)散熱器面積是余熱回收的關(guān)鍵。通過對(duì)面積的計(jì)算完成對(duì)余熱的收集。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，熱能與比熱容、質(zhì)量及溫差成正比，可得橫截面積S計(jì)算公式為式中H為高度。因此，可求得水路空氣側(cè)面積為212.19m2，油路空氣側(cè)面積為97.25m2，水翅片面積為51.77m2，油翅片側(cè)面積為25.29m2。散熱器面積S1的計(jì)算公式如式（16），式中參數(shù)含義及設(shè)計(jì)散熱器芯體具體參數(shù)如表2所示。散熱器中的水管和油管從一端進(jìn)另一端出，因此水管和油管的換熱面積減半。通道橫截面積S2的計(jì)算公式為由參數(shù)表中數(shù)據(jù)計(jì)算得，空氣通道橫截面積為1.0096m2，水管通道橫截面積為0.0143m2，油管通道橫截面積為0.0132m2，總橫截面積為1.0371m2,流道總面積為0.3440m2。通過對(duì)熱量計(jì)算和余熱回收計(jì)算，可以得到散熱器各面積的大小以及其相關(guān)參數(shù)，完成特殊散熱器的設(shè)計(jì)。表2散熱器芯體參數(shù)Table2Parametersofradiatorcores翅片位置風(fēng)側(cè)（水）水側(cè)風(fēng)側(cè)（油）油側(cè)片形WB鋸齒WB鋸齒高度H/mm11.93.011.93.0內(nèi)高Y/mm11.72.511.72.5間距P/mm2.73.02.73.0內(nèi)距X/mm2.12.52.12.5流道位置風(fēng)側(cè)（水）水側(cè)風(fēng)側(cè)（油）油側(cè)翅片厚度T/mm0.20.20.20.2寬W/mm16581801658180長(zhǎng)L/mm21516002001600排數(shù)N575630303.3能量轉(zhuǎn)換根據(jù)塞貝克效應(yīng)，通過帕爾貼熱計(jì)算，將熱能轉(zhuǎn)換為電能，實(shí)現(xiàn)溫差發(fā)電。若能夠保證溫差電堆兩端存在溫差，則溫差電回路就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，從而輸出功率。冷端吸收的熱量可以表示為定義形狀參數(shù)￡=IL/S，則上式可表示為根據(jù)熱電轉(zhuǎn)換，可知有20kW的電能需帕爾貼片吸收，單片帕爾貼片TEC1-19910的功率為5.4W，因此需要3700片型號(hào)為TEC1-199010的帕爾貼片，但考慮到機(jī)車行駛過程中負(fù)載和能量的實(shí)時(shí)變化，保留15%的裕量，并且考慮到整個(gè)帕爾貼片的規(guī)整性，將其整合為4400片。4穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)將各帕爾貼片之間串并聯(lián)，可以形成溫差發(fā)電系統(tǒng)。此系統(tǒng)將電力機(jī)車中的余熱轉(zhuǎn)換成電能，對(duì)外輸出電壓、電流。在溫差發(fā)電片選型中可知：?jiǎn)蝹€(gè)溫差發(fā)電片的輸出功率較低，將多個(gè)溫差發(fā)電片串并聯(lián)連接成熱電組件，可獲得需要的輸出電壓。已知單片TEC1-199010帕爾貼片電壓為5.65V，電流為0.95A，其發(fā)電功率約為5.37W。因此，整個(gè)溫差發(fā)電裝置的總功率為對(duì)TEC1-19910帕爾貼片進(jìn)行組合，單獨(dú)的串并聯(lián)會(huì)導(dǎo)致過大的電流和電壓，經(jīng)過計(jì)算與分析，選擇200個(gè)串聯(lián)、22排并聯(lián)的方案。溫差發(fā)電裝置最終的電壓為1130V，電流為20.9A。在實(shí)際情況中，溫差發(fā)電裝置的輸出電壓約在1130V附近波動(dòng)，因此需要設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路，以獲得穩(wěn)定的電壓，為蓄電池高效儲(chǔ)存電能奠定基礎(chǔ)。本研究的穩(wěn)壓電路要滿足蓄電池的最佳浮充電壓［12］，即當(dāng)溫差發(fā)電裝置輸出電壓偏低時(shí)必須對(duì)其進(jìn)行升壓處理，在其偏高時(shí)必須對(duì)其進(jìn)行降壓處理。經(jīng)過比較與分析，確定了圖8所示的升降壓斬波電路［13］。該電路能夠?qū)崿F(xiàn)升降壓功能，且對(duì)電感的容量要求較低，能夠降低電路的應(yīng)用難度、設(shè)計(jì)和制造成本較低，有較好的經(jīng)濟(jì)使用價(jià)值。圖8穩(wěn)壓電路Fig.8Voltagestabilizingcircuit通過對(duì)G1、G2兩管工作方式的控制，主電路可實(shí)現(xiàn)升降壓功能，從而保證輸出電壓穩(wěn)定在所需的電壓范圍內(nèi)。此電路在實(shí)際工作中可通過控制系統(tǒng)對(duì)輸入電壓進(jìn)行檢測(cè)，自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出以適應(yīng)蓄電池充電的最佳浮充電壓。5仿真分析根據(jù)上文中的穩(wěn)壓電路及相關(guān)數(shù)據(jù)，搭建相關(guān)的Matlab/Simulink仿真模型，并進(jìn)行仿真試驗(yàn)，所得試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。由圖9可以得知，在電壓波動(dòng)范圍內(nèi)，當(dāng)電壓較高時(shí)，穩(wěn)壓電路通過調(diào)節(jié)占空比進(jìn)行降壓控制；當(dāng)電壓較低時(shí)，則進(jìn)行升壓控制，總能在0.25s內(nèi)將電壓穩(wěn)定在1000V。因此該穩(wěn)壓斬波電路可滿足穩(wěn)壓的需要，從而平穩(wěn)高效地對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電。圖9不同模式下的仿真輸出電壓波形Fig.9Outputvoltagewaveformsunderdifferentmodes6結(jié)語半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)能夠有效地解決電力機(jī)車余熱能源浪費(fèi)問題。本研究提出將排熱管中大量的熱量轉(zhuǎn)換為高品質(zhì)的電能，通過對(duì)余熱的計(jì)算、散熱器的設(shè)計(jì)、溫差發(fā)電片性能和型號(hào)的選擇及穩(wěn)壓電路的分析，設(shè)計(jì)了一個(gè)從集熱到發(fā)電再到電能的儲(chǔ)存和利用的完整系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電力機(jī)車溫差發(fā)電余熱的回收利用。隨著未來對(duì)溫差發(fā)電材料的進(jìn)一步研究，可提高其發(fā)電效率并降低成本，電力機(jī)車溫差發(fā)電余熱利用系統(tǒng)將具有更大的經(jīng)濟(jì)意義。參考文獻(xiàn)：黃宗斌.半導(dǎo)體熱電發(fā)電器的研制[D].武漢：華中科技大學(xué)，2011.HUANGZongbin.ResearchontheSemiconductorThermoelectricDevice[D].Wuhan:HuazhongUniversityofScienceandTechnology，2011.周澤廣.溫差發(fā)電器的傳熱特性及機(jī)理研究[D].廣州：華南理工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