光伏建筑一體化可分為兩大類:一類是光伏方陣與建筑的結(jié)合。另一類是光伏方陣與建筑的集成。如光電瓦屋頂、光電幕墻和光電采光頂?shù)?。在這兩種方式中,光伏方陣與建筑的結(jié)合是一種常用的形式,特別是與建筑屋面的結(jié)合。
簡介
光伏建筑一體化,是應(yīng)用太陽能發(fā)電的一種新概念,簡單地講就是將太陽能光伏發(fā)電方陣安裝在建筑的圍護結(jié)構(gòu)外表面來提供電力。根據(jù)光伏方陣與建筑結(jié)合的方式不同,光伏建筑一體化可分為兩大類:一類是光伏方陣與建筑的結(jié)合。另一類是光伏方陣與建筑的集成。如光電瓦屋頂、光電幕墻和光電采光頂?shù)?。在這兩種方式中,光伏方陣與建筑的結(jié)合是一種常用的形式,特別是與建筑屋面的結(jié)合。由于光伏方陣與建筑的結(jié)合不占用額外的地面空間,是光伏發(fā)電系統(tǒng)在城市中廣泛應(yīng)用的最佳安裝方式,因而倍受關(guān)注。光伏方陣與建筑的集成是BIPV的一種高級形式,它對光伏組件的要求較高。光伏組件不僅要滿足光伏發(fā)電的功能要求同時還要兼顧建筑的基本功能要求?!笆濉逼陂g,將要創(chuàng)建2000家節(jié)約型公共機構(gòu)示范單位。除了公共機構(gòu)外,商業(yè)機構(gòu)由于用電量較大,參與節(jié)能的意愿相對較高,而且具有資金優(yōu)勢,也應(yīng)該優(yōu)先發(fā)展光伏建筑一體化模式。
發(fā)展方向
隨著《京都議定書》的正式生效,如何實現(xiàn)環(huán)境保護的可持續(xù)發(fā)展成為全球最強的呼聲。中國作為發(fā)展中國家,能源消耗逐年以驚人的速度增長,而建筑作為能耗大戶(發(fā)達國家的建筑能耗一般占到全國總能耗的1/3以上),其節(jié)能效益則變得尤其重要,BIPV因此成為21世紀建筑及光伏技術(shù)市場的熱點。
據(jù)《2013-2017年中國光伏建筑一體化(BIPV)行業(yè)市場前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告》數(shù)據(jù)顯示,太陽光發(fā)電是21世紀科學技術(shù)的前沿陣地,世界各地的政府均支持太陽光發(fā)電事業(yè);從國內(nèi)來看,“十一五”時期,國家重點在北京、上海、江蘇、山東、廣東等地區(qū)開展城市建筑屋頂光伏發(fā)電試點。到2010年止,全國建成約1000個屋頂光伏發(fā)電項目,總?cè)萘?萬千瓦。預計到2020年,全國將建成2萬個屋頂光伏發(fā)電項目,總?cè)萘?00萬千瓦。
BIPV作為龐大的建筑市場和潛力巨大的光伏市場的結(jié)合點,必將存在著無限廣闊的發(fā)展前景??梢灶A計,光伏與建筑相結(jié)合是未來光伏應(yīng)用中最重要的領(lǐng)域之一,其發(fā)展前景十分廣闊,并且有著巨大的市場潛力。
未來研究重點
建筑物空氣溫度調(diào)節(jié)消耗著大量的能量。在我國,它要占到建筑物總能耗的約70%。用空調(diào)機和燃煤來控制室溫不僅消耗能量,帶來外界的環(huán)境污染,而且并不能給室內(nèi)人員帶來健康的環(huán)境(雖然暫時它是舒適的)。在太陽能用于采暖方面,除造價較高的被動式太陽房有一些示范型建筑外,還沒有大規(guī)模的采用。主動式太陽能供能由于成本更高,與我國的經(jīng)濟發(fā)展也是遠不相適應(yīng)。因此,建筑供能的主動與被動相結(jié)合的思想及太陽能與常規(guī)能源相結(jié)合的思想。按照房間的功能,采用不同方案的配合及交叉,這樣可以大大降低太陽能用于建筑供能的一次投資和運行成本,使得整個方案在商業(yè)化的意義下具有可操作性。被動采暖與降溫的意義在于使建筑本身能量負荷大大降低(節(jié)能率約70%),使其所要求主動供能裝置提供的能量大大降低。也就是說,它將對昂貴裝置的要求降低。另外,被動供能是巧妙利用自然條件的變化來調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。我們認為,建筑物內(nèi)空氣溫度調(diào)節(jié)技術(shù)發(fā)展方向不應(yīng)當是改變自然環(huán)境來滿足人的要求,而是應(yīng)當盡量巧妙地利用并順應(yīng)自然界來滿足人們對健康和舒適的要求。研究空調(diào)的目的應(yīng)當是盡量減少人工環(huán)境,而不是相反。主動供能的意義在于保障建筑室內(nèi)的舒適性增加。在主動與被動供能相互配合組成供能系統(tǒng)的情況下,整套建筑供能系統(tǒng)的設(shè)備性能將會提高,而尺寸和造價將會降低。
隨著新能源的不斷發(fā)展和城市節(jié)能減排、綠色環(huán)保需求的日益增加,太陽能光伏建筑一體化越來越成為太陽能應(yīng)用發(fā)電的新潮流。
種類
根據(jù)光伏方陣與建筑結(jié)合的方式不同,太陽能光伏建筑一體化可分為兩大類:
第一類是光伏方陣與建筑的結(jié)合。這種方式是將光伏方陣依附于建筑物上,建筑物作為光伏方陣載體,起支承作用。
第二類是光伏方陣與建筑的集成。這種方式是光伏組件以一種建筑材料的形式出現(xiàn),光伏方陣成為建筑不可分割的一部分。
光伏方陣與建筑的結(jié)合(即第一類)是一種常用的形式。2008年奧運會體育賽事的國家游泳中心和國家體育館等奧運場館中,采用的就是光伏方陣與建筑結(jié)合的太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng),這些系統(tǒng)年發(fā)電量可達70萬千瓦時,相當于節(jié)約標煤170噸,減少二氧化碳排放570噸。
建筑特點
1. 能夠滿足建筑美學的要求;
2. 能夠滿足建筑物的采光要求;
3. 能夠滿足建筑的安全性能要求;
4. 能夠滿足安裝方便的要求;
5. 能夠具有壽命長的優(yōu)勢;
6. 具有綠色環(huán)保的效果;
7.無需占用寶貴的土地資源;
8.能有效地減少建筑能耗,實現(xiàn)建筑節(jié)能;
優(yōu)缺點
(1)綠色能源。太陽能光伏建筑一體化產(chǎn)生的是綠色能源,是應(yīng)用太陽能發(fā)電,不會污染環(huán)境。太陽能是最清潔并且是免費的,開發(fā)利用過程中不會產(chǎn)生任何生態(tài)方面的副作用。它又是一種再生能源,取之不盡,用之不竭。
(2) 不占用土地。光伏陣列一般安裝在閑置的屋頂或外墻上,無需額外占用土地,這對于土地昂貴的城市建筑尤其重要;夏天是用電高峰的季節(jié),也正好是日照量最大、光伏系統(tǒng)發(fā)電量最多的時期,對電網(wǎng)可以起到調(diào)峰作用。
(3)太陽能光伏建筑一體技術(shù)采用并網(wǎng)光伏系統(tǒng),不需要配備蓄電池,既節(jié)省投資,又不受蓄電池荷電狀態(tài)的限制,可以充分利用光伏系統(tǒng)所發(fā)出的電力。
(4) 起到建筑節(jié)能作用。光伏陣列吸收太陽能轉(zhuǎn)化為電能,大大降低了室外綜合溫度,減少了墻體得熱和室內(nèi)空調(diào)冷負荷,所以也可以起到建筑節(jié)能作用。因此,發(fā)展太陽能光伏建筑一體化,可以“節(jié)能減排”。
問題
雖然太陽能光伏建筑一體化有高效、經(jīng)濟、環(huán)保等諸多優(yōu)點,并已在世博場館和示范工程上得以運用,但光伏建筑還未進入尋常百姓家,成片使用該技術(shù)的民宅社區(qū)并未出現(xiàn)。這是由于太陽能光伏建筑一體化存有幾大問題
造價較高
太陽能光伏建筑一體化建筑物造價較高。一體化設(shè)計建造的帶有光伏發(fā)電系統(tǒng)的建筑物造價較高,在科研技術(shù)方面還有待提升。
成本高
太陽能發(fā)電的成本高。太陽能發(fā)電的成本是每度2.5元,比常規(guī)發(fā)電成本每度1元翻倍。
不穩(wěn)定
太陽能光伏發(fā)電不穩(wěn)定,受天氣影響大,有波動性。這是由于太陽并不是一天24小時都有,因此如何解決太陽能光伏發(fā)電的波動性,如何儲電也是亟待解決的問題。
建筑形式
可以說光伏建筑一體化適合大多數(shù)建筑,如平屋頂、斜屋頂、幕墻、天棚等等形式都可以安裝。
平屋頂,從發(fā)電角度看,平屋頂經(jīng)濟性是最好的:1、可以按照最佳角度安裝,獲得最大發(fā)電量;2、可以采用標準光伏組件,具有最佳性能;3、與建筑物功能不發(fā)生沖突。4、光伏發(fā)電成本最低,從發(fā)電經(jīng)濟性考慮是的最佳選擇。
斜屋頂,南向斜屋頂具有較好經(jīng)濟性:1、可以按照最佳角度或接近最佳角度安裝,因此可以獲得最大或者較大發(fā)電量;2、可以采用標準光伏組件,性能好、成本低;3、與建筑物功能不發(fā)生沖突。4、光伏發(fā)電成本最低或者較低,是光伏系統(tǒng)優(yōu)選安裝方案之一。其它方向(偏正南)次之。
光伏幕墻,光伏幕墻要符合BIPV要求:除發(fā)電功能外,要滿足幕墻所有功能要求:包括外部維護、透明度、力學、美學、安全等,組件成本高,光伏性能偏低;要與建筑物同時設(shè)計、同時施工和安裝,光伏系統(tǒng)工程進度受建筑總體進度制約;光伏陣列偏離最佳安裝角度,輸出功率偏低;發(fā)電成本高;為建筑提升社會價值,帶來綠色概念的效果。
光伏天棚,光伏天棚要求透明組件,組件效率較低;除發(fā)電和透明外,天棚構(gòu)件要滿足一定的力學、美學、結(jié)構(gòu)連接等建筑方面要求,組件成本高;發(fā)電成本高;為建筑提升社會價值,帶來綠色概念的效果。
建筑設(shè)計
光伏組件性能
作為普通光伏組件,只要通過IEC61215的檢測,滿足抗130km/h(2,400Pa)風壓和抗25mm直徑冰雹23m/s的沖擊的要求。用做幕墻面板和采光頂面板的光伏組件,不僅需要滿足光伏組件的性能要求,同時要滿足幕墻的三性實驗要求和建筑物安全性能要求,因此需要有更高的力學性能和采用不同的結(jié)構(gòu)方式。例如尺寸為1200mm×530mm的普通光伏組件一般采用3.2mm厚的鋼化超白玻璃加鋁合金邊框就能達到使用要求。但同樣尺寸的組件用在BIPV建筑中,在不同的地點,不同的樓層高度,以及不同的安裝方式,對它的玻璃力學性能要求就可能是完全不同的。南玻大廈外循環(huán)式雙層幕墻采用的組件就是兩塊6mm厚的鋼化超白玻璃夾膠而成的光伏組件,這是通過嚴格的力學計算得到的結(jié)果。
建筑的美學要求
BIPV建筑首先是一個建筑,它是建筑師的藝術(shù)品,就相當于音樂家的音樂,畫家的一幅名畫,而對于建筑物來說光線就是他的靈魂,因此建筑物對光影要求甚高。但普通光伏組件所用的玻璃大多為布紋超白鋼化玻璃,其布紋具有磨砂玻璃阻擋視線的作用。如果BIPV組件安裝在大樓的觀光處,這個位置需要光線通透,這時就要采用光面超白鋼化玻璃制作雙面玻璃組件,用來滿足建筑物的功能。同時為了節(jié)約成本,電池板背面的玻璃可以采用普通光面鋼化玻璃。
一個建筑物的成功與否,關(guān)鍵一點就是建筑物的外觀效果,有時候細微的不協(xié)調(diào)都是不能容忍。但普通光伏組件的接線盒一般粘在電池板背面,接線盒較大,很容易破壞建筑物的整體協(xié)調(diào)感,通常不為建筑師所接受,因此BIPV建筑中要求將接線盒省去或隱藏起來,這時的旁路二極管沒有了接線盒的保護,要考慮采用其他方法來保護它,需要將旁路二極管和連接線隱藏在幕墻結(jié)構(gòu)中。比如將旁路二極管放在幕墻骨架結(jié)構(gòu)中,以防陽光直射和雨水侵蝕。
普通光伏組件的連接線一般外露在組件下方,BIPV建筑中光伏組件的連接線要求全部隱藏在幕墻結(jié)構(gòu)中。
結(jié)構(gòu)性能配合
在設(shè)計BIPV建筑時要考慮電池板本身的電壓、電流是否方便光伏系統(tǒng)設(shè)備選型,但是建筑物的外立面有可能是一些大小、形式不一的幾何圖形組成,這會造成組件間的電壓、電流不同,這個時候可以考慮對建筑立面進行分區(qū)及調(diào)整分格,使BIPV組件接近標準組件電學性能,也可以采用不同尺寸的電池片來滿足分格的要求,以最大限度地滿足建筑物外立面效果。另外,還可以將少數(shù)邊角上的電池片不連接入電路,以滿足電學要求。
利用太陽能建筑
太陽能為保護環(huán)境創(chuàng)造了有利條件,于是許多建筑學家巧妙利用太陽能建造太陽能建筑。
1、太陽能墻:美國建筑專家發(fā)明太陽能墻,是在建筑物的墻體外側(cè)裝一層薄薄的黑色打孔鋁板,能吸收照射到墻體上的80%的太陽能量。被吸入鋁板的空氣經(jīng)預熱后,通過墻體內(nèi)的泵抽到建筑物內(nèi),從而就能節(jié)約中央空調(diào)的能耗。
2、太陽能窗:德國科學家發(fā)明了兩種采用光熱調(diào)節(jié)的玻璃窗。一種是太陽能溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng),白天采集建筑物窗玻璃表面的暖氣,然后把這種太陽能傳遞到墻和地板的空間存儲,到了晚上再放出來;另一種是自動調(diào)整進入房間的陽光量,如同變色太陽鏡一樣,根據(jù)房間設(shè)定的溫度,窗玻璃或是變成透明或是變成不透明。
3、太陽能房屋:德國建筑師塞多。特霍爾斯建造了一座能在基座上轉(zhuǎn)動跟蹤陽光的太陽能房屋。該房屋安裝在一個圓盤底座上,由一個小型太陽能電動機帶動一組齒輪,使房屋底座在環(huán)形軌道上以每分鐘轉(zhuǎn)動3厘米的速度隨太陽旋轉(zhuǎn)。這個跟蹤太陽的系統(tǒng)所消耗的電力僅為該房太陽能發(fā)電功率的1%,而該房太陽能發(fā)電量相當于一般不能轉(zhuǎn)動的太陽能房屋的兩倍。
結(jié)合方式
根據(jù)光伏方陣與建筑結(jié)合的方式不同,太陽能光伏建筑一體化可分為兩大類:建筑與光伏器件相結(jié)合和建筑與光伏系統(tǒng)相結(jié)合 。
與建筑結(jié)合
建筑與光伏的進一步結(jié)合是將光伏器件與建筑材料集成化。一般的建筑物外圍護表面采用涂料、裝飾瓷磚或幕墻玻璃,目的是為了保護和裝飾建筑物。如果用光伏器件代替部分建材,即用光伏組件來做建筑物的屋頂、外墻和窗戶,這樣既可用做建材也可用以發(fā)電,可謂物盡其美。對于框架結(jié)構(gòu)的建筑物,可把其整個圍護結(jié)構(gòu)做成光伏陣列,選擇適當光伏組件,既可吸收太陽直射光,也可吸收太陽反射光。目前已經(jīng)研制出大尺度的彩色光伏模塊,可以實現(xiàn)以上目的,使建筑外觀更具魅力.
與光伏系統(tǒng)
與建筑相結(jié)合的光伏系統(tǒng),可以作為獨立電源或者以并網(wǎng)的方式供電當系統(tǒng)參與并網(wǎng)時,可以不需要蓄電池。但需要與電網(wǎng)的裝置,而與并網(wǎng)發(fā)電是當今光伏應(yīng)用的新趨勢。將光伏組件安裝在建筑物的屋頂或外墻,引出端經(jīng)過控制器與公共電網(wǎng)相連接需要向光伏陣列及電網(wǎng)并聯(lián)向用戶供電,這就組成了并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。
有關(guān)要求
把光伏器件用做建材,必須具備建材所要求的幾項條件:堅固耐用、保溫隔熱、防水防潮、適當?shù)膹姸群蛣偠鹊刃阅?。若是用于窗戶、天窗等,則必須能夠透光,就是說既可發(fā)電又可采光。除此之外,還要考慮安全性能、外觀和施工簡便等因素 [4]。光伏建筑一體化對光伏光伏系統(tǒng)及光伏組件具體有如下要求:
對蓄電池要求
對于并網(wǎng)光伏系統(tǒng),由于不受到蓄電池容量的限制,并且有公共電網(wǎng)作為后盾,確定光伏方陣容量時,不必像獨立光伏系統(tǒng)那樣一定要經(jīng)過嚴格的優(yōu)化設(shè)計,只要根據(jù)負載的要求和投資情況經(jīng)過適當計算就可決定。對于一般家庭使用,通常太陽電池方陣容量的范圍為1~5 千瓦。
對組件要求
與一般的平板式光伏組件不同,(BIPV)組件既然兼有發(fā)電和建材的功能,就必須滿足建材性能的要求,如:隔熱、絕緣、抗風、防雨、透光、美觀,還要具有足夠的強度和剛度,不易破損,便于施工安裝及運輸?shù)?。為了滿足建筑工程的需要,已經(jīng)研制出了多種顏色的太陽電池組件,以供建筑師選擇,使得建筑物色彩與周圍環(huán)境更加和諧協(xié)調(diào)。根據(jù)建筑工程的需要,已經(jīng)生產(chǎn)出多種滿足屋頂瓦、外墻、窗戶等性能要求的太陽電池組件 [5]。其外形不單有標準的矩形,還有三角形、菱形、梯形、甚至是不規(guī)則形狀。也可以根據(jù)要求,制作成組件周圍是無邊框的,或者是透光的,接線盒可以不安裝在背面而在側(cè)面。
對電池要求
在獨立光伏系統(tǒng)中,光伏方陣要盡量朝向赤道傾斜安裝,與水平面之間的傾角要經(jīng)過嚴格的計算,以達到光伏方陣輸出的極大性和均衡性。而在并網(wǎng)光伏系統(tǒng)中,只要考慮光伏方陣輸出的極大性即可。然而在實際應(yīng)用中,往往因為要服從于建筑物外形的需要,方陣可能會有各種朝向,傾角也可能從0~900 都有,這就需要光伏和建筑設(shè)計師共同協(xié)商,兼顧的雙方的需要,妥善解決。
逆變的要求
太陽電池方陣所發(fā)出的是低壓直流電,要與電網(wǎng)連接,必須變換成220 伏、380 伏甚至更高電壓的交流,而且對于電能質(zhì)量如:電壓、波動、頻率、諧波和功率因素等參數(shù)都有嚴格的要求。為了保證電網(wǎng)、設(shè)備和人生安全,還必須配備并網(wǎng)檢測保護裝置,如對于處理:過/欠電壓、過/欠頻率、電網(wǎng)失電(防孤島效應(yīng))、恢復并網(wǎng)、直流隔離、防雷和接地、短路保護、斷路開關(guān)、功率方向保護等都有明確的規(guī)定。所以逆變和控制器是并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。
計量電表要求
家庭使用的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)中,光伏方陣所發(fā)出的電能,主要供給用戶負載使用,多余部分輸入電網(wǎng),用戶負載所消耗的電能,也是由光伏方陣和公共電網(wǎng)共同供應(yīng)。原則上可以用一塊電表來進行計量,電網(wǎng)供電時電表正轉(zhuǎn),光伏方陣向電網(wǎng)饋電時電表反轉(zhuǎn)。實際上由于各國政府對于開發(fā)利用新能源大多實行優(yōu)惠政策,目前太陽能發(fā)電的上網(wǎng)電價要遠大于用戶的用電電價,常常用兩塊電表來分別計量,所以有“買入”電表和“賣出”電表的區(qū)別。
和分布式光伏區(qū)別
光伏建筑一體化(BIPV)和分布式光伏是兩種不同但相關(guān)的光伏應(yīng)用方式,它們在多個方面存在顯著區(qū)別。以下是它們之間的主要區(qū)別:
定義與概念
分布式光伏:分布式光伏是指將太陽能光伏電池板安裝在建筑物、設(shè)施或地區(qū)的分散位置,以發(fā)電并滿足當?shù)赜秒娦枨蟮墓夥到y(tǒng)。它通常遵循就近發(fā)電、就近并網(wǎng)、就近轉(zhuǎn)換、就近使用的原則,是一種小型、分散式的發(fā)電方式。
光伏建筑一體化(BIPV):光伏建筑一體化是將太陽能光伏組件融入到建筑物本身的設(shè)計和構(gòu)造中,以實現(xiàn)同時發(fā)電和建筑功能的一種光伏系統(tǒng)。它不僅具有發(fā)電功能,還能提供建筑物的隔熱、遮陽、保護和裝飾等額外功能。
安裝與集成
分布式光伏:分布式光伏系統(tǒng)的光伏組件可以安裝在建筑物的屋頂、墻面、地面等多個位置,甚至包括車棚、垃圾箱房、水泥路面等。其安裝相對較為簡單,可以在現(xiàn)有建筑上添加光伏組件。
光伏建筑一體化(BIPV):BIPV系統(tǒng)的光伏組件是作為建筑物的一部分進行設(shè)計和安裝的,通常與建筑物的外墻、屋頂、窗戶等部分相結(jié)合,取代傳統(tǒng)的建筑材料。這需要在建筑物的設(shè)計和建造過程中就進行光伏組件的集成。
目的與功能
分布式光伏:主要目的是滿足當?shù)氐挠秒娦枨?,減少對傳統(tǒng)電力供應(yīng)的依賴。通過電網(wǎng)連接,分布式光伏系統(tǒng)可以將多余的電量注入電網(wǎng),也可以從電網(wǎng)中獲取補充電力。
光伏建筑一體化(BIPV):除了發(fā)電功能外,BIPV還兼具建筑的功能。它旨在實現(xiàn)光伏組件與建筑物的完美融合,提升建筑物的美觀度,同時提供隔熱、遮陽等額外效益。
設(shè)計考慮
分布式光伏:設(shè)計更注重發(fā)電效率和系統(tǒng)的可擴展性。由于系統(tǒng)分散在多個地點,可以根據(jù)需要進行擴展,以適應(yīng)不同規(guī)模和需求的發(fā)電。
光伏建筑一體化(BIPV):設(shè)計需要考慮到建筑物的外觀、結(jié)構(gòu)和功能需求。BIPV系統(tǒng)需要與建筑物的其他系統(tǒng)(如電力系統(tǒng)和通風系統(tǒng))緊密集成,以實現(xiàn)高效的能量利用和一體化的設(shè)計。
優(yōu)缺點
分布式光伏:
優(yōu)點:可以利用建筑的周邊空間,分散設(shè)置發(fā)電設(shè)備,充分利用太陽能資源。
缺點:需要特別設(shè)置光伏組件的安裝位置,成本較高,安裝和維護較為困難。
光伏建筑一體化(BIPV):
優(yōu)點:節(jié)省建筑面積,美觀度高,安裝成本相對較低,維護也相對容易。同時,它還能降低建筑物的能耗,減少二氧化碳排放,提高建筑物的環(huán)境友好性。
缺點:發(fā)電效率可能受到陰影和遮擋等因素的影響。
綜上所述,光伏建筑一體化(BIPV)和分布式光伏在定義、安裝與集成、目的與功能、設(shè)計考慮以及優(yōu)缺點等方面都存在明顯的區(qū)別。選擇哪種方式取決于具體的應(yīng)用場景和需求。
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