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风能利用
第5讲风能
5.1风能概述
5.1.1风能利用
1.风的形成
空气流动所形成的动能称为风能。
风能是太阳能的一种转化形式。
太阳的辐射造成地球表面受热不均,引起大气层中压力分布不均,空气沿水平方向运动形风。
风的形成是空气流动的结果。
风能利用形式主要是将大气运动时所具有的动能转化为其他形式的能。
2.风能特点
风不仅能量是很大的,而且它在自然界中所起的作用也是很大的。
它可使山岩发生侵蚀,造成沙漠,形成风海流,它还可在地面作输送水分的工作,水汽主要是由强大的空气流输送的,从而影响气候,造成雨季和旱季。
专家们估计,风中含有的能量,比人类迄今为止所能控制的能量高得多。
全世界每年燃烧煤炭得到的能量,还不到风力在同一时间内提供能量的1%。
可见,风能是地球上重要的能源之一。
合理利用风能,既可减少环境污染,又可减轻越来越大的能源短缺的压力。
自然界中的风能资源是极其巨大的。
据世界气象组织估计,整个地球上可以利用的风能为2*107MW,为地球上可以利用的水能总量的10倍。
风能与其它能源相比,既有其明显的优点,又有其突出的局限性。
风能具有四大优点和三大弱点。
四大优点是:
(1)蕴量巨大
(2)可以再生
(3)分布广泛
(4)没有污染
三大弱点是:
(1)密度低
这是风能的一个重要缺陷。
由于风能来源于空气的流动,而空气的密度是很小的,因此风力的能量密度也很小。
在各种能源中,风能的含能量是极低的,给其利用带来一定的困难。
(2)不稳定
由于气流瞬息万变,因此风的脉动、日变化、季变化以至年际的变化都十分明显,波动很大,极不稳定。
(3)地区差异大
由于地形的影响,风力的地区差异非常明显。
一个邻近的区域,有利地形下的风力往往是不利地形下风力的几倍甚至几十倍。
3.风能利用简介
(1)风力提水。
风力提水从古至今一直得到较普遍的应用。
风力提水作为风能利用的主要方式之一,在解决农牧业灌排、边远地区的人畜饮水以及沿海养鱼、制盐等方面都不失为一种简单、可靠、有效的实用技术。
(2)风力发电。
利用风力发电已越来越成为风能利用的主要形式,受到各国的高度重视,而且发展速度最快。
风力发电通常有三种运行方式:
①独立运行方式:
通常是一台小型发电机向一户或几户提供电力,它用蓄电池蓄能,以保证无风时的用电;
②风力发电与其他发电方式(如柴油机发电)相结合:
向一个单位、一个村庄或一个海岛供电;
③风力发电并入常规电网运行,向大电网提供电力:
一处风场安装几十台甚至几百台风力发电机,这是风力发电的主要发展方向。
(3)风帆助航。
在机动船舶发展的今天,为节约燃油和提高航速,古老的风帆助航也得到了发展。
(4)风力制热。
随着人民生活水平的提高,家庭用能中热能的需要越来越大,特别是在高纬度的欧洲、北美取暖,煮水是耗能大户。
为了解决家庭及低品位工业热能的需要,风力制热有了较大的发展。
5.1.2风能政策
1.发达国家的风能政策
首先,各国发展新能源时都制定了明确的发展目标。
其次,各国都制定了明确的财税支持政策,包括直接补贴、税收优惠、低息贷款等。
再次,各国的财税支持政策涉及新能源各个领域,但都能结合各国的实际状况和中长期发展规划选择某些重点领域加大扶持力度。
(1)美国
美国的风电产业的发展与政府长期实行的完善合理的税务和促进政策密不可分。
首先是联邦层面的生产税收抵免(PTC,ProductionTaxCredit)和投资税收抵免(ITC,InvestmentTaxCredit)优惠政策。
①生产税收抵免:
风电场所发电力收入,享受长期的所得税抵免权利,税务投资人从而在经营中获得了利益。
②投资税收抵免:
风电场在规定的时间前完成风电场的建设,联邦政府会把设备总投资金额的30%以现金的方式返还给投资者。
第二是加速折旧政策。
折旧期缩短到竣工后的5到6年,使投资商在项目初期需缴纳的所得税大幅降低。
第三是可再生能源配额制政策。
(2)德国
1990年,德国议会通过强制购电法。
该法案规定:
电力公司必须让风电接入电网,并以固定价格收购其全部电量;以当地电力公司销售价格的90%作为风电上网价格;风电上网价格与常规发电技术的成本差价由当地电网承担。
2014年6月,通过了《可再生能源法》的修改,要求到2020年实现30%的可再生能源发电目标,2030年50%和2050年80%的可再生能源发电目标,并且提高了对各种可再生能源的补贴。
(3)丹麦
制定了一系列财政补贴和税收优惠政策,支持风力发电发展。
先后公布了五次能源计划。
2012年3月最新的能源规划目标提出2020年能源供应的35%来自可再生能源,2050年能源供应100%来自可再生能源的目标;2020年丹麦50%的电力将由风力提供。
通过测试和资质认证,投资风电能获得风机购买价格30%的补贴。
陆上风电场上网电价包括市场价格和固定补贴两部分。
设有电力节约基金,政府对提高能源效率的技术和设备进行补贴,对使用化石燃料的用户征收空气污染税,而使用风能则享受一定的税收优惠。
(4)英国
2002年开始实施的“可再生能源义务证书制度”,给电力运营商设置了提高可再生能源电力比例的义务,规定了可再生能源发电的具体数额:
到2010年为10.4%,2015年预计为15.4%。
所有供电商都必须完成当年规定的可再生能源电力份额。
2003年2月24日,发布《能源白皮书》,确定2020年可再生能源电力要占到电力总消费量20%的具体目标。
(5)印度
1992年,印度政府提议,根据所得税法为投资风电机组的资金部分提供第一年100%的加速折旧,且电力销售的前五年免税。
2010年初,由印度新能源与可再生能源部发布的发电刺激计划规定,风力发电进入国家电网享受税收优惠,政府将为进入电网的风电项目提供每千瓦时0.50卢比的补贴。
据统计,印度有18个邦已经发布了风电上网电价机制。
2.我国的风能政策
(1)风能政策
2006年1月1日开始实施《可再生能源法》,国家鼓励和支持可再生能源并网发电。
2010年4月1日起开始实施《可再生能源法修正案》,国家实行可再生能源发电全额保障性收购制度。
2011年8月实施的《风电开发建设管理暂行办法》对风电项目建设实施的各个环节进行了规定。
2012年7月,国家发改委《可再生能源发展“十二五”规划》“十二五”时期,可再生能源新增发电装机1.6亿千瓦,其中常规水电6100万千瓦,风电7000万千瓦,太阳能发电2000万千瓦,生物质能发电750万千瓦,到2015年可再生能源发电量争取达到总发电量的20%以上。
2014年,中国风电政策看点颇丰。
我国政府仍将风电发展作为能源革命、能源结构调整和国家能源安全的重要一环,加以大力支持。
国务院办公厅、国家发改委、国家能源局共颁布了20多个有关风电的政策。
2015年,国务院办公厅、国家发改委、国家能源局同样颁布了20多个有关风电的政策。
3月23日,国家能源局发布《关于做好2015年度风电并网消纳有关工作的通知》;4月2日,财政部印发关于《可再生能源发展专项资金管理暂行办法》的通知;5月15日国家能源局发布《关于进一步完善风电年度开发方案管理工作的通知》等。
(2)电价政策
2009年7月,国家发改委《关于完善风力发电上网电价政策的通知》按风能资源状况和工程建设条件,将全国分为4类风能资源区,相应制定风电标杆上网电价。
4类资源区风电标杆电价水平分别为每千瓦时0.51元、0.54元、0.58元和0.61元,如表5.1所示。
表5.1四类资源区风电标杆电价
资源区
标杆上网电价(元/kwh)
各资源区所包括的地区
Ⅰ类资源区
0.51
内蒙古自治区除赤峰市、通辽市、兴安盟、呼伦贝尔市以外其他地区;新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市、伊犁哈萨克族自治州、昌吉回族自治州、克拉玛依市、石河子市
Ⅱ类资源区
0.54
河北省张家口市、承德市;内蒙古自治区赤峰市、通辽市、兴安盟、呼伦贝尔市;甘肃省张掖市、嘉峪关市、酒泉市
Ⅲ类资源区
0.58
吉林省白城市、松原市;黑龙江省鸡西市、双鸭山市、七台河市、绥化市、伊春市,大兴安岭地区;甘肃省除张掖市、嘉峪关市、酒泉市以外其他地区;新疆维吾尔自治区除乌鲁木齐市、伊犁哈萨克族自治州、昌吉回族自治州、克拉玛依市、石河子市以外其他地区;宁夏回族自治区
Ⅳ类资源区
0.61
除Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类资源区以外的其他地区
(3)财政税收
国家税务总局财税【2008】156号文《关于资源综合利用及其他产品增值税政策的通知》,对利用风力生产的电力实现的增值税实行即征即退50%的政策。
2007年初,财政部、发改委、海关总署和税务总局四部委联合发布《关于落实国务院加快振兴装备制造业的若干意见有关进口税收政策的通知》,自2008年1月1日起,对国内企业为开发、制造1.2MW以上的大功率风力发电机组而进口部分关键零部件、原材料所缴纳的进口关税和进口环节增值税实行先征后退政策。
5.2风能资源及分布
5.2.1国外风能资源及分布
地球上的风能资源十分丰富,根据相关资料统计,每年来自外层空间的辐射能为1.5×1018kwh,其中的2.5%即3.75×1016kwh的能量被大气吸收,产生大约4.3×l0l2kWh的风能。
据世界能源理事会估计,在地球陆地面积中有27%的地区年平均风速高于5m/s(距地面10m处)。
风能资源受地形的影响较大,世界风能资源多集中在沿海和开阔大陆的收缩地带,如美国的加利福尼亚州沿岸和北欧一些国家。
世界气象组织于1981年发表了全世界范围风能资源估计分布图,如图5.1所示。
按平均风能密度和相应的年平均风速将全世界风能资源分为10个等级。
8级以上的风能高值区主要分布于南半球中高纬度洋面和北半球的北大西洋、北太平洋以及北冰洋的中高纬度部分洋面上,大陆上风能则一般不超过7级,其中以美国西部、西北欧沿海、乌拉尔山顶部和黑海地区等多风地带较大。
5.2.2国内风能资源及分布
我国的风能资源分布情况如图5.2所示。
我国的风能资源分区情况如下所述:
图5.2我国年平均风功率密度分布图
1.我国最大风能资源区
东南沿海及其岛屿为我国最大风能资源区。
在这一地区,有效风能密度大于等于200W/m2,沿海岛屿的风能密度在300W/m2以上,有效风力出现时间百分率达80~90%,大于等于8m/s的风速全年出现时间约7000~8000h,大于等于6m/s的风速也有4000h左右。
但从这一地区向内陆地区,则丘陵连绵,冬半年强大冷空气南下,很难长驱直下,夏半年台风在离海岸50km时风速便减少到68%。
所以,东南沿海仅在由海岸向内陆几十公里的地方有较大的风能,再向内陆则风能锐减。
在不到100km的地带,风能密度降至50W/m2以下,反为全国风能最小区。
2.我国次大风能资源区
内蒙古和甘肃北部为我国次大风能资源区。
该地区终年在西风带控制之下,而且又是冷空气入侵首当其冲的地方,风能密度为200~300W/m2,有效风力出现时间百分率为70%左右,大于等于3m/s的风速全年有5000h以上,大于等于6m/s的风速在2000h以上,从北向南逐渐减少,但不像东南沿海梯度那么大。
该地区虽然风能密度较东南沿海为小,但其分布范围较广,是我国连成一片的最大风能资源区。
3.大风能资源区
黑龙江和吉林东部以及辽东半岛沿海,风能也较大,为我国大风能资源区。
风能密度在200W/m2以上,大于等于3m/s和6m/s的风速全年累积时数分别为5000~7000h和3000h。
4.较大风能资源区
青藏高原、三北地区北部和沿海,为较大风能资源区。
该地区风能密度在150~200W/m2之间,大于等于3m/s的风速全年累积为4000~5000h,大于等于6m/s风速全年累积为3000h以上。
其中青藏高原大于等于3m/s的风速全年累积可达6500h,但由于青藏高原海拔高、空气密度较小,所以风能密度相对较小,在4000m的高度,空气密度大致为地面的67%。
也就是说,同样是8m/s的风速,在平地为313.6W/m2,而在4000m的高度却只有209.3W/m2。
所以,如果仅按大于等于3m/s和大于等于6m/s的风速出现的小时数计算,青藏高原应属于最大区,而实际上这里的风能却小于东南沿海岛屿。
5.最小风能资源区
云贵川、甘肃、陕西南部,河南、湖南西部,福建、广东、广西的山区,以及塔里木盆地为我国最小风能资源区。
有效风能密度在50W/m2以下,可利用的风力仅有20%左右,大于等于3m/s的风速全年累积时数在2000h以下,大于等于6m/s的风速在150h以下。
这一地区除高山顶和峡谷等特殊地形外,风能潜力很低,无利用价值。
6.可季节利用的风能资源区
在4和5地区以外的广大地区,为风能季节利用区。
有的在冬、春季可以利用,有的在夏、秋季可以利用。
这一地区,风能密度在50~100W/m2之间,可利用风力为30~40%,大于等于3m/s的风速全年累积在2000~4000h,大于等于6m/s的风速在1000h左右。
5.2.3风功率的计算
风功率计算公式如下:
其中:
M:
空气质量(kg)
V:
风速(m/s)
ρ:
空气密度(kg/m3),在一个标准大气压下,每立方米空气所具有的质量就是空气密度.空气密度的大小与气温、海拔等因素有关,海拔越高密度越低。
一般采用的空气密度是指在0摄氏度、绝对标准指标下,密度为1.293g/L。
S:
扫风面积(m2)
它是风能利用中常常要用的公式。
由风能公式可以看出,风能主要与风速、风所流经的面积和空气密度三个因素有关,其关系如下:
(1)风能E的大小与风速的立方(V3)成正比,也就是说影响风能的最大因素是风速。
(2)风能E的大小与风所流经的面积S成正比。
对于风力发电机来说,就是风能与风力发电机的风轮旋转时的扫掠面积成正比。
由于通常用风轮直径作为风力发电机的主要参数,所以风能大小与风轮直径的平方成正比。
(3)风能E的大小与空气密度ρ成正比。
空气密度是指单位体积所容纳空气的质量。
因此,计算风能时必须要知道空气密度ρ值。
空气密度ρ值与空气的湿度、温度和海拔高度有关,可以从相关的资料中查到。
5.3各种类型的风力发电机
风力发电机简称为风力机或风机,按照风力机叶片同转轴关系风力机分为水平轴风力机和垂直轴风力机。
1.垂直轴风力机
垂直轴风力发电机其风轮的旋转轴垂直于地面或者气流方向。
其主要特点是可以接受来自任何方向的风,无需对风。
由于不需要调向装置,使他们的结构简化。
垂直轴风力机的另一个优点是齿轮箱和发电机可以安装在地面上,如图5.3所示。
由于垂直轴风力发电机需要大量材料,占地面积大,目前商用大型风力发电机组采用较少。
图5.3垂直轴风力机
2.水平轴风力机
水平轴风力发电机其风轮的旋转轴平行于或者基本平行于地面或者气流方向,如图5.4所示。
水平轴风力机按照驱动方式可分为升力型风力机和阻力型风力机两类。
升力型旋转速度快,阻力型旋转速度慢。
对于风力发电,多采用升力型水平轴风力机。
大多数水平轴风力机具有对风装置,能随风向改变而转动。
小型风力机的对风装置采用尾舵,大型风力机则利用风向传感元件及伺服电动机组成的传动装置作为对风装置。
风力机的风轮在塔架前面的称上风向风力机,风轮在塔架后面的则称下风向风力机。
(图)
图5.4水平轴风力机
5.4风力发电机的结构
风力发电机组是由风轮、传动系统、偏航系统、液压系统、制动系统、发电机、控制与安全系统、机舱、塔架和基础等组成。
该机组通过风力推动叶轮旋转,再通过传动系统增速来达到发电机的转速后来驱动发电机发电,有效的将风能转化成电能。
风力发电机组结构示意图如图5.5所示。
1、叶片2、变浆轴承3、主轴4、机舱吊5、齿轮箱6、高速轴制动器7、发电机8、轴流风机9、机座10、滑环11、偏航轴承12、偏航驱动13、轮毂系统
图5.5风力发电机组结构示意图
各主要组成部分功能简述如下:
(1)叶片
叶片是吸收风能的单元,用于将空气的动能转换为叶轮转动的机械能。
叶轮的转动是风作用在叶片上产生的升力导致。
由叶片、轮毂、变桨系统组成。
每个叶片有一套独立的变桨机构,主动对叶片进行调节。
叶片配备雷电保护系统。
风机维护时,叶轮可通过锁定销进行锁定。
(2)变浆系统
变桨系统通过改变叶片的桨距角,使叶片在不同风速时处于最佳的吸收风能的状态,当风速超过切出风速时,使叶片顺桨刹车。
(3)齿轮箱
齿轮箱是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机,并使其得到相应的转速。
(4)发电机
发电机是将叶轮转动的机械动能转换为电能的部件。
上图所示机组采用的是带滑环三相双馈异步发电机。
转子与变频器连接,可向转子回路提供可调频率的电压,输出转速可以在同步转速±30%范围内调节。
(5)偏航系统
偏航系统采用主动对风齿轮驱动形式,与控制系统相配合,使叶轮始终处于迎风状态,充分利用风能,提高发电效率。
同时提供必要的锁紧力矩,以保障机组安全运行。
(6)轮毂系统
轮毂的作用是将叶片固定在一起,并且承受叶片上传递的各种载荷,然后传递到发电机转动轴上。
轮毂结构是3个放射形喇叭口拟合在一起的。
(7)底座总成
底座总成主要有底座、下平台总成、内平台总成、机舱梯子等组成。
通过偏航轴承与塔架相连,并通过偏航系统带动机舱总成、发电机总成、变浆系统总成。
5.5风电场的选址
风电场场址选择是否合理将直接决定场内风力发电机组的发电量,进而对整个风电场的经济效益产生重要影响。
风电场选址是一个复杂的问题,一般可分为宏观选址和微观选址两个阶段。
1.宏观选址
风电场宏观选址即风电场场址选址,在前期规划阶段进行,是在一个较大的地区内,通过对若干场址的风能资源和其它建设条件的分析和比较,确定风电场的建设地点、开发价值、开发策略和开发步骤的过程,是企业能否通过开发风电场获取经济利益的关键。
2.微观选址
微观选址工作主要在设计阶段进行,根据风电场风资源分布图,同时结合各项限制条件确认每台风机的机位,满足业主和相关部门的各项要求,使整个风场具有较好的经济效益。
风电场宏观选址与微观选址流程如图5.6所示。
图5.6风电场宏观选址与微观选址流程图
3.风电场选址的基本原则
(1)风能资源丰富,风能质量好
①平均风速。
一般来说平均风速越大越好,只有年平均风速大于6m/s的地方才基本适合建风电场。
②风功率密度。
风功率密度与所在地的空气密度和风速大小都有关系。
高原地区风大,但风功率密度不一定大,因为空气稀薄。
风功率密度一般应大于150W/m2。
③主要风向分布。
尽量有稳定的盛行风向,以利于机组布置。
这一参数决定了风力发电机组在风电场中的最佳排列方式。
虽然可以调整风力发电机的方向,但密集排列的机组间的湍流影响有时是不容忽视的。
④年风能可利用时间。
一般是指风速在3-25m/s之间的时间,每年大于2000小时即为风能可利用区。
⑤风速的日变化和年变化与当地的负荷曲线相匹配;风速的日变化和季节变化较小,降低对电网的冲击;垂直风剪切较小,以利于机组的运行,减少机组故障。
⑥湍流强度较小,尽量减轻机组的震动、磨损,延长机组寿命。
湍流强度不超过0.25。
选址时要尽量使风力发电机组避开粗糙的地表面或高大的建筑物。
⑦气象灾害少。
(2)符合国家产业政策和地区发展规划
(3)满足联网要求:
应尽量靠近电网,减少线损和送出成本。
根据电网的容量、结构,确定建设规模与电网是否匹配。
(4)具备交通运输和施工安装条件。
(5)地形、地理及地质情况要保证工程安全。
(6)满足环境保护的要求:
避开鸟类的迁徙路径、候鸟和其它动物的停留地或繁殖区;和居民区保持一定距离,避免噪声、叶片阴影及电磁干扰;减少耕地、林地、牧场等的占用,防止水土流失;避开自然保护区以及珍稀动植物地区等。
(7)满足投资回报要求:
尽力较低的投资和运营成本,获得较高的利润。
5.6风力发电对环境的影响
1.风电对环境的正面影响
由于风能是一种不消耗矿物燃料的可再生能源。
风电的使用,相当于节省相同数量电能所需的矿物燃料。
其对环境的明显正面影响为:
减少向大气排放粉尘,二氧化碳、二氧化硫、一氧化碳。
以煤电为例,根据我国当前最普遍使用的30万千瓦蒸汽轮发电机组的现状每发1万kwh的电,消耗约4吨标准煤;向大气排放粉尘约0.5吨;CO2约10吨;NOx约0.05吨;SOx约0.08吨。
到2050年若风电的发电量占全国所需电量的5%,即约4000亿kwh,风电的装机容量约为1.5亿千瓦(风电的容量系数小,相当于煤电的装机容量0.7亿千瓦),则每年可节省约1.6亿吨标准煤,可减少向大气排放粉尘约2000万吨;CO2约4亿吨;NOx约200万吨;SOx约320万吨。
减少因开发一次能源如煤、石油、天然气,所造成的环境问题。
一次能源的开采除了在沙漠地区外,通常要毁坏森林,良田和原有的各种植被。
而海上油田的开采往往给海洋生态带来不可恢复的破坏。
2.风电对环境的负面影响
(1)风力发电项目建设会影响当地的生态环境,如破坏植被、改变地形地貌,造成水土流失。
(2)风力发电项目运营会产生一定量的电磁辐射影响。
(3)风力发电建设项目征地可能会引起社会问题,所以移民安置也应考虑。
(4)风力发电项目建设可能会对当地的生态环境等造成人工景观、自然景观的影响。
(5)项目的配套工程,如道路,生活区等造成的生态、水、候鸟迁徙和大气的影响。
尽管风力发电项目的环境影响较小,但根据国家建设项目环境分类管理条例,风力发电项目不论规模大小等,都得需要编制环境影响报告表备案、报批。
5.7风能利用的发展与展望
5.7.1世界风能的发展
全球风电产业2015年新增装机63,013MW,实现了22%的年度市场增长率。
美国强劲增长、全年达到8.6GW,德国新增6GW超过预期,其中包括2.3GW的海上项目。
到2015年年底,全球风电累计装机容量达到432,419MW,累计年增长率达到17%。
从“全球风能协会”(GWEC,GlobalWindEnergyCouncil)统计获悉,全球风力发电能力在2015年底达到43242万千瓦,较2014年底增长17%,首次超过核能发电(38255万千瓦)。
单位换算关系如下:
1000W(瓦)=1KW(千瓦)
1000KW(千瓦)=1MW(兆瓦)
1000MW(兆瓦)=1GW(吉瓦)
1000GW(吉瓦)=1TW(太瓦)
风电正在引领全球从化石能源转向的转型,风电正在价格、表现和可靠性上更具竞争力。
同时在非洲、亚洲和拉丁美洲等很多国家有很多风电市场开放,这些市场将成为下一个十年风电市场的领导力量。
风电在欧洲和美国都是年新增电力装机的领导者,新机型的出现已经使得风电具备能源市场竞争力的地区数量在急剧增加。
德国以创纪录的6,013MW装机引领欧洲风电,并使欧洲风电2015年的发展超出预期。
紧随其后的是波兰(1,266MW),法国(1,037MW),英国(975MW)和土耳其(956MW)。
目前已经有16个欧洲国家实现了超过1GW装机容量,另有9个国家实现了5GW装机。
在美国,2015年第四季度实现5,000MW以上的装机业绩,这使全年新增装机容量达到8,598MW,累计装机容量达74,471MW。
由于2015年年底美国国会关于PTC(PowerTransmissionCouncil电力输送委员会)的决议,美国风电市场未来前景变得更加乐观和明朗。
加拿大装机容量1,560MW,使累计装机容量在2015年底超过10GW达到11,200MW;墨西哥实现714MW装机,累计容量达3,073MW。
巴西实现了2,754MW的创纪录装机容量
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