能源收集分析报告龙波.docx
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能源收集分析报告龙波
能源收集分析报告
1.引言
无线传感器网络在环境监测、智能家居、交通运输、精细农业等领域具有广泛的应用前景,越来越受到人们的重视。
传感器节点作为无线传感器网络的重要组成单元,通常散布于一定的区域内协作地实时监测、感知和采集各种环境和监测对象的信息。
传感器节点部署环境和实际应用中的要求决定了节点电源大多数情况下不可能接入正常的电力系统供电。
无线传感器结点体积小通常只能携带能量有限的电池要延长网络工作周期结点的供电是必须考虑的问题由于传感器结点个数多分布区域广而且通常部署环境复杂因此通过更换电池的方式来补充能源延长使用周期是不现实的。
目前针对这一问题的研究思路主要是如何从节点所处的环境中采集能量并进行有效的存储,使节点具有能量补充能力从而有效地延长节点的生存周期。
解决结点的供电问题必须从能量采集的角度入手采取有效措施使传感器结点实现能量自给自足并高效储存。
供给使用环境中具有各种丰富的能量,如太阳能、风能、热能、机械振动能、声能、电磁能等。
目前,已有一些公司研究和开发了利用环境能量为无线传感器网络功能的系统,如图1是富士通提出的一种能量收集系统的配置。
下面对各种能量收集技术进行综述。
图1富士通能量收集系统配置
2.太阳能的采集
自然界中太阳能是最丰富和最容易获得的环境能源太阳能电池就是利用光生伏特效应制作的半导体器件又称光伏器件与传统化学电池相比太阳能电池在转化效率设备搭建环境保护等方面具有无可比拟的优势太阳能电池功率密度较高,每
可获取mW级的能量。
目前的能量收集都具有一些局限性,如太阳能收集模块CBC-EVAL-08由于光伏薄膜电池收集能量较少且缺少备份能源仅能在有阳光时工作。
太阳能收集技术发展已经有很长的时间了,太阳能发电方式有两种,一种是光—热—电转换方式,另一种是光与电直接转换方式。
光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电,一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸汽,再驱动汽轮机发电。
光—电直接转换方式该方式是利用光电效应,将太阳辐射能直接转换成电能,光—电转换的基本装置就是太阳能电池。
太阳能电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件。
能产生光伏效应的材料有许多种,如:
单晶硅,多晶硅,非晶硅,砷化镓,硒铟铜等。
它们的发电原理基本相同,现以晶体硅为例描述光发电过程。
SiliconLaboratories(芯科实验室)宣布推出业界最节能的采用太阳能收集系统供电的无线传感器节点解决方案,如图2所示。
这项新的参考设计使开发人员能实现自维持的、超低功耗的无线传感器网络,适用于家居和楼宇自动化、安全系统、工业控制应用、医疗监视装置、财产跟踪系统以及基础设施和农业监视系统。
图2太阳能收集系统供电解决方案
芯科实验室完整的能量采集参考设计包括无线网路和USB软体,以及完整的RF线路配置、物料清单(BOM)、原理图和Gerber档案。
该设计由三个部分组成:
首先为一个太阳能供电的无线感测器节点,用于测量温度、亮度和充电量。
使用一颗Si10xx无线MCU来控制感测系统和无线资料传输,一块薄膜电池用于储存采集的能量。
接著有一个无线USB转接器,用于连接感测器节点至PC以显示感测资料;该转接器由芯科实验室收发器和运行USB-HID类别软体和无线软体堆叠的MCU组成。
最后则是一个无线感测器网路图形用户介面(GUI),用于显示多达四个感测器节点的资料。
能量采集参考设计中使用的薄膜电池具有0.7mAh的容量,在日光直射下,仅需2小时即可将电池充满;在休眠模式下,无线感测器节点可持续供电7000小时。
若无线系统不间断发射,可持续供电3小时,而薄膜电池会不断的自行充电,维持一定电量以避免完全断电。
SiliconLabs公司的能量收集参考设计支持广泛能源,板上旁路连接器使得开发人员可以灵活使用旁路太阳能电池,连接其它能量来源,例如动能(压电式)、热能和RF。
SiliconLabs公司的能量收集参考设计现已上市,售价45美元。
易能森(EnOcean)无线能量采集模块由德国易能森有限公司生产销售EnOcean能量采集模块能够采集周围环境产生的能量,比如机械能,室内的光能,
温度差的能量等,具体芯片模型如图3所示。
这些能量经过处理以后,用来供给EnOcean超低功耗的无线通讯模块,实现真正的无数据线,无电源线,无电池的通讯系统。
图4为该公司的光能采集模块能够采集并存储室内光能,可用于无线无源温湿度传感器、门窗状态传感器、人体红外传感器等。
图3易能森(EnOcean)无线能量采集模块图4易能森(EnOcean)光能采集模块
太阳能收集技术有很多优点,如环保可再生而且技术发展相对成熟,但是该技术也存在着一些局限的地方,第一,时间周期局限。
白的和夜晚相差很大;第二,空间局限性。
太阳能收集能量与接触表面积成正比,这与传感器微型化矛盾;第三,气象条件局限。
天气对太阳能电池的转化效率起了很大的影响,天气条件差或者能见度差的环境,太阳能电池可能无法输出稳定的电压。
3.基于热能的自供能技术
自然界存在着各种不同的热源,通常利用热源存在或者发生的温度差,实现热能的收集,即热电能量转换微型温差发电机是近年来随着新热电材料的发展兴起的热电转换技术,具有集成度高、热电功率密度大、响应时间快、小温差下就能实现高电压等优点从环境温差收集能量是极具吸引力的技术之一众所周知,温度的差异之间包含了大量的能量在很多应用中,环境自身可以透过温度差异来提供
所需的能量。
例如,一滴水冷却1摄氏度释放出来的能量将足够发送约20000个EnOcean无线射频信号,这些能量可以通过热能发电机传递来启动无线驱动器实现远程控制。
世界上第一台基于温差能的发电装置由前苏联1942年研制成功,受材料限制的原因其发电效率非常低仅为2%。
二十世纪五十年代末期,约飞及其同事研究证明:
利用两种以上的半导体形成固溶体所制作的温差发电材料可大大提高热电转换效率,这一成果指引了依托新材料提高温差电性能的发展方向。
随后,研究人员发现了多种转换性能较高的热电材料固溶体合金直至今日,这些仍然是最重要的热电材料。
经多年研究发现了几种温差发电机的优缺点,如表1所示。
表1几种温差发电机的优缺点:
温差发电机类型
优点
缺点
放射性同位素温差发电机
寿命长,性能可靠,不受环境影响,无需维修
成本高,转换效率低
余废热温差发电机
成本低,节能环保,性能可靠
转换效率低
In-plane型温差发电机
可建立大温差
热量容易散失,制造工艺复杂
Cross-plane型温差发电机
小温差即可实现高电压
制造工艺难
圆柱型温差发电机
维持均匀大温差
制造工艺难
EnOcean基于热能量收集技术提供的无线无源解决方案可用于调节室内温度,如图5所示。
降低室内的平均温度是节约热能源最有效的方法之一。
据布雷默能量研究所的数据表明,如果系统的温度能够自动根据时间环境,以及是否有人存在而发生相应的改变,则消耗的能量可降低约20%至30%。
因此,可以在控制中心根据不同的时间和温度的预设值使用温度调节器来调节不同房间的空气温度,从而节约消耗的能量。
图5基于热能量收集技术提供的无线无源解决方案
4.无线供电技术
无线电能传输(WirelessPowerTransmission)是借助于电磁场或电磁波进行能量传递的一种技术,是一种区别于有线传输的特殊供电方式目前无线电力传输技术,其系统框图如图6。
无线电能传输主要有三种形式:
电磁感应技术、电磁共振技术和基于微波或光波的远场辐射技术,这三种技术可分别适用于低功率近程中功率中短程和高功率远程电力传送。
电磁感应式无线输电系统:
电磁感应通过初级和次级线圈感应产生电流,将能量从传输端转移到接收端,该系统主要由能量发送端无接触变压器和能量接收端3个部分组成,与通常的电能传输系统相比,该系统增加了初级变换器和次级变换器无接触电能传输系统属于疏松图6无线电能传输系统框图
耦合系统,传输性能一般较差为了提高系统的传输能力,初级变换器通常采用高频变换器可分离变压器是无接触电能传输系统的最重要组成部分,它的性能对于整个系统的稳定高效起着至关重要的作用发射端和接收端之间利用电磁感应耦合的方式传递能量电磁感应是将线圈中的电流直接以电磁波形式进行1cm以下的近距离收发,收发设备需要有较高的识别能力电磁波向四面八方辐射并大量散失,效率较低,通常只适合相互贴着的小功率电子产品随着电子产品逐渐趋于微型化以及微功耗技术的发展,极大的推动了自供能技术的迅速发展。
传统的电池供电方式存在着寿命短、存储能量有限。
电磁共振式无线输电系统:
电磁共振方式是利用电流通过线圈产生同频率的磁场共振实现无线供电,磁场的强弱决定传输距离和效率,可以实现10m左右距离的室内供电共振是一种非常高效的传输能量方式,利用非辐射磁场实现电能高效传输两个振动频率相同的物体之间可以高效传输能量,而且对不同振动频率的物体几乎没有影响,其原理是基于2个电磁波在满足规定条件的情况下,在同一波导(腔体)的不同电磁波的模式之间或不同波导(或腔体)的同一电磁波模式之间可以发生耦合谐振的现象,通过理论分析计算或实验的方法选择耦合模参数,利用强磁场耦合共振方式使能量在收发2个谐振腔之间有效传输。
远场辐射式无线输电系统:
微波方式是将电力以微波或激光形式发射到远程的接收设备,然后通过整流调制等处理后使用无线电波波长越短,其定向性越好,弥散越小利用微波或激光来实现电能的远程传输,对于新能源的开发和利用解决未来能源短缺等问题有着重要意义。
别是近年来,便携式电子产品大量涌现,以及传感器无线网络技术与MEMS器件的发展,推动了无线供电与无线网络技术的研发,并在理论研究和实用化技术方面取得了初步的成果。
其中美国Powercast公司开发出了一套适用于传感器网络的无线输电收发模块,目前已经准备进行商业化推广。
物联网传感节点一般在一定的区域内分散部署,并以一定的拓扑结构进行数据交换以及通信。
在一定数量的节点中会有一个或者几个主节点,或者称为协调器节点,进行数据的汇聚以及通信协议的管理。
可以借用这样的主节点作为电磁能量的供体,其他从属于它的从节点为能量的受体,构成一种广播式的无线射频能量传输系统。
系统总体结构示意图如图7所示。
圆形区域内为主节点T电磁波辐射有效作用范围,在该区域内不规则地分布着若干个从节点。
任意一个从节图7系统总体结构示意图
点Ri都可以从主节点天线辐射出的电磁波能量中得到可供自己工作的电能,一般作用半径为3m。
如果在更广阔的区域内进行类似部署,就需要多个主节点来提供能量,由若干个相交或者相切的半径为3m的圆形区域组成一个庞大的系统区间。
目前无线供电技术有了很大的发展,但是供电效率和传输的距离是还存在一定困难,在短距离内的无线供电技术相对比较成熟一些,已经有很多公司生产出相应的产品。
5.基于振动的自供能技术
振动能是一种比较普遍的能源形势,广泛存在于各种实际应用中如、桥梁、车辆、机电设备、心脏跳动等。
因此如何收集振动能成为大家关注焦点。
目前相对技术发展比较完善。
振动能量收集转换主要存在三种方式:
电磁式、静电式、压电式。
电磁式主要利用法拉第电磁感应定律,静电式转换主要利用静电式转换储着一定电荷量的电容对在振动激励下的相对位移,实现电荷的流动。
压电式转换主要利用压电效应。
5.1电磁式
由法拉第电磁感应定律可知,变化的磁场L可以产生电场,而导体线圈回路面积内的磁通量发生变化时,回路中就会产生感生电动势并引起感应电流,从而对外输出功率,实现机械到电能的转化。
一般,电磁式振动能量收集器包括两个基本部件:
振动部分和磁场部分。
振动部分一般由线圈和外部振动源相连组成,磁场部分一般包括永磁体,以提供磁场,当外部振动源产生振动时,线圈同时运动,产生磁通量的变化,从而产生电动势。
电磁感应型振动能量收集器大致可分
为三类:
共振型,转动型和混合型,结构如图8所示。
图8(a)共振型(b)转动型(c)混合型
电磁式振动能量收集器具有体积小、感测频率高、发电量大、工艺与半导体技术兼容、无需驱动电源、可应用于各种恶劣环境。
但是由于永磁体尺寸、线圈匝数以及振动幅度的限制,同时还存在着输出功率偏小、集成度不高、装配精度较低等缺点。
国际国内在振动能量收集方面开展了广泛的研究工作,并取得了一定进展,采用电磁感应原理研制的振动能量收集器,结构多样,工艺简单。
目前世界上有许多研究小组在从事电磁式振动能量收集器的研制工作,他们设计制作了多种结构的模型和样机,只有国际上已有数家公司能够提供相应的电磁能量收集产品。
巴黎高等技术学院的A.Delnavaz等人设计发明了一种共振型电磁振动能量收集器,用于收集人体的呼吸能量,其结构如图9所示。
能量收集模块由沿导管放置的线圈和固定磁体组成,导管内还有一块可移动的磁体。
由于磁体间的排斥力,可移动磁体处于悬浮状态。
当人体呼吸造成管内空气流动时,可移动磁体随着振动。
可移动磁体的移动改变了线圈附近的磁场,从而在线圈内产生了感应电动势,达到收集能量的目的。
该收集器简单可靠,同时可在非共振条件下工作。
实验结果表明,在正常的呼吸周期下,固定磁体之间的距离为40mm时可实现最大的能量回收,最大感应电压为25mV,相当于3.1μW的能量。
图9呼吸能量收集器结构
1988年,日本精工公司提出自动发电系统,示意图如图10。
该系统可以通过收集人体运动时的振动能量,用于驱动电子手表。
人体运动导致非平衡转子转动,经过加速轮系将非平衡转子的转动速度加速100倍,从而使小型永磁发电器转动发电。
该发电机可通过人体运动产生5~10μW的功率。
图10日本精工公司自动发电系统示意图
5.2静电式
静电式振动能量收集器原理比较简单,主要利用存储着一定电荷量的电容对在振动激励下的相对位移,实现电荷的流动。
当受到外界振动激励时,两个传导板产生相对位移,传导板正对面积减小,从而把机械能转化为电能。
静电式能量收集器的原理比较简单,很适合集成在微系统中。
然而,它需要一个特殊的电压源来开始转换的过程,因为电容必须经过充电达到一个初始电压才能开始工作。
其次,在进行构造设计时有许多机械要求限制,譬如,保证电极板在运动过程中不会连接而造成短路,保证在外界振动源的振幅增大时,振动源和金属板的机械接触可靠性等。
因存在上诉诸多问题,目前还处于实验室阶段,未投入实用,因工艺复杂,效率较低以及需要预充电等固有缺点而逐步被人们放弃。
5.3压电式
压电片将振动能转化成电能,根据其压电耦合系数的不同,在不同频率、不同振动加速度的条件下产生不同的电压值。
影响压电片产生电能的大小的两个重要因素就是配重和极化方向,压电片必须有压力的作用,使其内部变形才能产生自由电荷的输出,形成电流。
压电式振动能量收集器能量转换方式结构简单,便于MEMS加工、能量密度大、无需启动电压、不发热、无电磁干扰、无污染、寿命几乎无限,同时它们能在无法进入的地方和有弹性嵌入的系统中简单实施,并且成本低、没有布线麻烦等。
然而,压电式往往适合于特定的环境,如高频振动环境,对于低频振动能量收集有一定难度。
较电磁式、静电式相比,目前,压电式能量收集器已经有很多产品了,主要有基于MEMS和基于非MEMS这两类,基于非MEMS能够收集相对可观的能量,但是体积较大。
基于MEMS的体积很小适应于微小结构。
其结构主要有悬臂梁式结构、螺旋式机构、多层结构、圆形与拔式结构、粗纤维复合结构、彩虹结构和月牙结构等。
悬臂梁结构:
由于悬臂梁结构的发电装置比较简单,所以目前关于它的研究及成果较多,发展最为成熟。
图11为典型压电悬臂梁结构,当悬臂梁受到外界激励时,压电薄膜随着悬臂梁发生弯曲变形,压电薄膜产生压电效应,由外接电路将能量储存,从而将机械能转化成电能,实现振动能量的收集。
图11典型压电悬臂梁结构
多层结构:
多层结构相对于给定位移与相同总厚度的单层结构,拥有允许更大的位移,更大输出电压的优势。
同时,多层结构在较低的绝对电压下就可以产生所需的极化电场强度。
例如,N.R.Harris等人设计的两层压电陶瓷结构,如图12,当陶瓷厚度为80μm时,能产生320V的极化电压,当厚度增加一倍是,极化电压同样增加一倍,因此,多层结构被用作致动器时,优势十分明显。
图12两层压电陶瓷结构
圆形和钹型结构:
当周围环境对能量收集器的压力要求过大时,悬臂梁结构和多层结构将不再适用。
H.W.Kim等人设计了一种能够承受较大载荷的Cymbal型压电能量收集器,图12为其结构示意图。
该收集器由两个金属帽、压电陶瓷片用环氧树脂粘结而成,通过两个金属帽,压力能均匀地加载于压电陶瓷晶片上,从而能使该收集器能承受更大压力。
同时,压电晶片在金属帽传递的力作用下,产生了径向及轴向的伸缩振动,因此,在相同体积的悬臂梁中,此装置能产生更大的能量。
图13cymbal型能量收集器结构
通过对三类振动能量收集器的蓄能密度的比较和分析(见表2)可知,三种类型综合比较而言压电式能量转换器最有潜力,而且发展的技术相对完善。
表2三种能量转换器的蓄能密度比较
类型
实际最大值/(
)
理论最大值/(
)
压电式
35.4
335
静电式
4
44
电磁式
25.8
400
2013年05月13日,富士通半导体(上海)有限公司推出两款全新的电源管理IC产品,为收集能量而开发的MB39C811DC/DC降压转换器和MB39C831DC/DC升压转换器。
其中,MB39C811通过超低功耗能量管理控制待机功耗,凭借仅1.5μA的电流即可获取非常稳定的输出电压转换。
并且可以同时管理太阳能电池和振动能量收集器件(压电元件和驻极体)的能量,以达到实现同步利用光和振动收集能量的目的。
MB39C811使用双桥式整流器实现2个方向收集振动能量,能从自然界中发生(沿X轴方向,Y轴方向和Z轴方向)的振动,从2个轴的方向的振动元件收集能量,从而更加有效地利用能量,其应用框图如图14所示。
图14MB39C811应用框图
2013年6月5日至6日,MicroGenSystems公司在美国伊利诺伊州罗斯蒙特举办的“SensorsExpoandConference”展览会上宣布,振动能量收集BOLTPowerCell实现了一款实时无线传感器网络(WSN),实物图如图15,其采用凌力尔特(LinearTechnology)公司的DustNetworksLTC5800-IPMSmartMeshIP片内微尘,凌力尔特微尘由MicroGen的压电式微机电系统振动能量收集器或微功率发电机(MPG)技术进行供电。
图15振动能量收集BOLTPowerCell
6.基于风能的自供能技术
风能是地球表面大量空气流动所产生的动能。
自然界中的风是无处不在的,收集并合理利用这一广泛存在但仍未得到开采的能量一直是科研人员致力研究的课题。
然而,风能的一些特点限制了它的发展应用。
风速具有不稳定性,发出的电同样不稳定,不能直接用来供电,相应的转换电路也不容易设计实现。
同时,相对一般的新能源来说,风能的转换效率较低,实现风能的收集需要投入更大的成本。
水平轴风电机组技术:
水平轴风电机组基本结构如图16所示,其具有风能转换效率高、转轴较短、在大型风电组上更突显的经济性等优点,因此,它成为了世界风电发展的主流机型,并占有95%以上的市场。
垂直轴风电机组技术:
与水平轴同期发展的垂直轴风电机组,具有它的全风向对风和变速装置及发电机可以置于风轮下方(或地面)等优点,但因为转轴过长、风能转换效率不高,启动、停机和变桨困难等图16水平轴风电机组结构图
题,目前市场份额很小、应用数量有限。
海上风电技术:
目前建设海上风电场的造价师陆地风电场的1.7~2倍,而发电量则是路上风电场的1.4倍,所以其经济性仍不如陆地风电场,随着技术的不断发展,海上风电的成本会不断降低,其经济性也会逐渐凸显。
变桨变速、功率调节技术:
由于变桨距功率调节方式具有载荷控制平稳、安全和高效等优点,今年来在大型风电机组上得到了广泛采用。
直驱式、全功率变流技术:
无齿轮箱的直取方式能有效地减少由于齿轮箱问题而造成的机组故障,可有效提高系统的运行可靠性和寿命,减少维护成本,因而得到了市场的青睐,市场份额不断扩大。
新型垂直轴风力发电机技术:
如图17为垂直风力发电机组结构,它采取了完全不同的设计理念,并采用了新型结构和材料,达到微风启动、无噪声、抗12级以上台风、不受风向影响等优良性能,可以大量用于别墅、多层及高层建筑、路灯等中小型应用场合。
以它为主建立的风光互补发电系统,具有电力输出稳定、经济性高、对环境影响小等优点,也解决了太阳能发展中对电网的冲击等影响。
图17垂直风力发电机组结构
风能在大型发电装置上的利用已得到较多的发展,而且目前仍在不断取得新的成果。
同时,小型的风力发电技术在自供能技术中同样具有应用前景。
小型风力发电机:
小型风力发电的研究必须要解决技术难度和制造成本这两个难题,Arlington德州大学使用成熟的压电和机械技术率先实现了小型风力发电。
其本质是将风能转化为振动能再加以转化收集。
釆用压电器件制造出的这种小型发电机,可由8-16km/h的风力驱动,能为无线传感器网络节点提供50mW的功率。
发电机的桨叶连到凸轮上,使围绕轴排成圆形的一串双压电晶片产生振荡。
一个采用APC855陶瓷制造的双压电晶片可输出0.935mW的功率,由11个压电晶片组成的单元可输出10.2mW的功率。
由于这种气流发电机结构微小且受到机电亲合及其它未知因素的影响,其转换效率远低于风车理论最大值59%,这类能量转换器的效率通常仅为5%-20%。
即使能量密度可以支持无线传感器的工作需求,基于风能的自供能技术面临的一个重要问题是风力的随机性问题。
受天气变化影响,若不能保证恒定的风能供给,无线传感器网络的供能可靠性将受到影响。
7.基于噪声能的自供能技术
噪音污染对人们生活和健康有相当大的危害,且噪声的来源非常广泛,比较常见的噪声源有机器噪声、交通噪声、风扇噪声和排气噪声等。
但噪声也是一种具有相当能量值的潜在能源,如噪声达到160dB的喷气式飞机,其声功率约为10kW,如果这些能量能够得到回收并加以利用,不仅有效的降低了环境污染,还可以为人类提供了一种新型的能源。
科学家们发现人造银酸锂具有在高频高温下将声能转变为电能的特殊功能,当声波遇到屏障时,声能会转化为电能。
英国科技人员根据这一原理,设计制造了鼓膜式接收器,将接收器与能聚集声能的共鸣器连接,把所收集的噪声输入声能变换器,便可转变为电能。
还有科研人员设计了一种新型热声学发动机,发动机内盛有经过压缩的氨,当氨被加热时,就会产生声波,这种声波可以启动活塞,产生电力。
小型声能发动机比最大型的、最有效的祸轮机的效力还要大10%,而且没有运转部件,无需维护。
8.基于生物化学能的自供能技术
自然界中的各种生物包括人,都是一个能量综合体,包括热能、化学能以及动能等。
有关研究表明,对于一个体重68kg的人而言,日常每餐进食得到1.05×105J的能量,24小时平均消耗的功率为121W。
因此,将人体或生物的能量收集并加以利用,也是解决当下能源短缺的一条新途径。
人体能量可分为被动式能量源和主动式能量源两种。
所谓被动式能量源是指人们除了正常的行动外不需要做任何其它事即可产生功率的能量源。
主动式能量源则需要人除正常行为外还需要采取一定的行动才能获得功率,如手摇发电机。
相对主动式能量源而言,被动式能量源更适合使用在无线传感网络中。
国内外研究人员提出基于人体能量来驱动可穿带电子设备或给人体传感器节点提供能量。
例如,利用人在行走时挤压鞋底产生电能,但发电方式效率较低,发电功率一般也不会超过0.8W;另外还有一
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