Subido por Evelyn Mita

Informes paneles solares (1)

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LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR
CELDAS FOTOVOLTAICAS
TRANSFERENCIA DE CALOR APLICADA
GRUPO D2
SUBGRUPO # 3
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
FACULTAD DE INGENIERIAS FISICO-MECANICAS
ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA
BUCARAMANGA
2010
LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR
CELDAS FOTOVOLTAICAS
Presentado a:
PROFESOR OMAR ARMANDO GELVEZ
AUXILIAR: LIBARDO ALFONSO CADENA RODRIGUEZ
RODRIGUEZ
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
FACULTADE DE INGENIERIAS FISICO-MECANICAS
ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA
BUCARAMANGA
2010
CELDAS FOTOVOLTAICAS
OBJETIVO GENERAL

Conocer el funcionamiento de un colector solar fotovoltaico.
OBJETIVOS ESPECIFICOS



Distinguir los componentes básicos de un colector solar fotovoltaico.
Determinar la eficiencia del colector solar fotovoltaico del laboratorio.
Comparar los valores de potencia calculados.
INTRODUCCION
En los últimos años debido a múltiples factores como los escases de combustibles
de origen fósil, la contaminación causada por estos con sus respectivas
consecuencias, factores económicos, etc. Se ha implementado una mentalidad por
buscar energías alternativas que ayuden a disminuir estos problemas de una
manera eficiente, aunque es evidente que aún falta mucho en el desarrollo de
este tipo de tecnologías se han conseguido avances importantes encontrando un
gran potencial que puede ser aprovechado para el bien común .
La energía solar es una fuente de energía de gran importancia la cual ya que se
dispone en todo el mundo y es un recurso universal y aunque para poder
aprovecharla se requieren de recursos económicos importantes los costos de
utilizar la energía solar no es más que el costo de comprar, instalar y mantener
adecuadamente el sistema fotovoltaico.
El aprovechamiento de la energía solar además de ayudar con problemas de
escases de combustibles también puede ayudar a colaborar a solucionar
problemas de origen social, como lo es llevar energía a lugares apartados de las
ciudades, los cuales son de difícil acceso. Debido a la falta de energía eléctrica
estos lugares sufren un estancamiento en su desarrollo.
En este laboratorio se va a estudiar el funcionamiento de una celda fotovoltaica,
conociendo los conceptos básicos en su funcionamiento variando la configuración
de un circuito mediante el cual podremos analizar los parámetros que influyen al
momento de aprovechar la energía que tomamos del sol.
MARCO TEORICO
La energía solar:
La energía solar es la energía producida en el Sol como resultado de reacciones
nucleares de fusión; Llega a la Tierra a través del espacio en cuantos de energía
llamados fotones, que interactúan con la atmósfera y la superficie terrestres. La
intensidad de la radiación solar en el borde exterior de la atmósfera, si se
considera que la Tierra está a su distancia promedio del Sol, se llama constante
solar, y su valor medio es1, 366 × 10 6 erg/cm² s. Sin embargo, esta cantidad no es
constante, ya que parece ser que varía un 0,2% en un periodo de 30 años. La
intensidad de energía real disponible en la superficie terrestre es menor que la
constante solar debido a la absorción y a la dispersión de la radiación que origina
la interacción de los fotones con la atmósfera.
La intensidad de energía solar disponible en un punto determinado de la Tierra
depende, de forma complicada pero predecible, del día del año, de la hora y de la
latitud. Además, la cantidad de energía solar que puede recogerse depende de la
orientación del dispositivo receptor.
Fuente www.pce-iberica.es
LA RADIACIÓN SOLAR
La radiación solar proviene del Sol se comporta prácticamente como un cuerpo
negro que emite energía siguiendo la ley de Planck a una temperatura de unos
6000 K. la radiación solar es el flujo de energía que recibimos del Sol en forma de
ondas electromagnéticas de diferentes frecuencias (luz visible, infrarroja y
ultravioleta). Aproximadamente la mitad de las que recibimos, comprendidas entre
0.4μm y 0.7μm, pueden ser detectadas por el ojo humano, constituyendo lo que
conocemos como luz visible. De la otra mitad, la mayoría se sitúa en la parte
infrarroja del espectro y una pequeña parte en la ultravioleta. La porción de esta
radiación que no es absorbida por la atmósfera, es la que produce quemaduras en
la piel a la gente que se expone muchas horas al sol sin protección. La radiación
solar se mide normalmente con un instrumento denominado piranómetro.
Figura 1. Fuente www.absoluterprotecsol.com
ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
La energía solar fotovoltaica es aquella que se obtiene por medio de la
transformación directa de la energía del sol en energía eléctrica.
Esta definición de la energía solar fotovoltaica, contiene aspectos importantes
1. La energía solar se puede transformar de dos maneras:
La primera utiliza una parte del espectro electromagnético de la energía del sol
para producir calor. A la energía obtenida se le llama energía solar térmica. La
transformación se realiza mediante el empleo de colectores térmicos.
La segunda, utiliza la otra parte del espectro electromagnético de la energía del
sol para producir electricidad. A la energía obtenida se le llama energía solar
fotovoltaica. La transformación se realiza por medio de módulos o paneles solares
fotovoltaicos.
¿Qué es un sistema fotovoltaico?
Un conjunto de equipos construidos e integrados especialmente para realizar
cuatro funciones fundamentales:
•Transformar directa y eficientemente la energía solar en energía eléctrica
•Almacenar adecuadamente la energía eléctrica generada
•Proveer adecuadamente la energía producida (el consumo) y almacenada
•Utilizar eficientemente la energía producida y almacenada
En el mismo orden antes mencionado, los componentes fotovoltaicos encargados
de realizar las funciones respectivas son:
1. El módulo o panel fotovoltaico
2. La batería
3. El regulador de carga
4. El inversor
5. Las cargas de aplicación (el consumo)
Celdas fotovoltaicas:
Una celda fotovoltaica es el componente que capta la energía contenida en la
radiación solar y la transforma en una corriente eléctrica, basado en el efecto
fotovoltaico que produce una corriente eléctrica cuando la luz incide sobre algunos
materiales.
Las celdas fotovoltaicas son hechas principalmente de un grupo de minerales
semiconductores, de los cuales el silicio, es el más usado. El silicio se encuentra
abundantemente en todo el mundo porque es un componente mineral de la arena.
Sin embargo, tiene que ser de alta pureza para lograr el efecto fotovoltaico, lo cual
encarece el proceso de la producción de las celdas fotovoltaicas.
Una celda fotovoltaica tiene un tamaño de 10 por 10 centímetros y produce
alrededor de un vatio a plena luz del día. Normalmente las celdas fotovoltaicas son
color azul oscuro. La mayoría de los paneles consta de 36 celdas fotovoltaicas.
Fuente: figura tomada de ciencia@nas
POTENCIA DE LAS CELDAS FOTOVOLTAICAS
La capacidad energética nominal de los módulos fotovoltaicos se indica en vatiospico (Wp), lo cual indica la capacidad de generar electricidad en condiciones
óptimas de operación.
La capacidad real de un módulo fotovoltaico difiere considerablemente de su
capacidad nominal,
Debido a que bajo condiciones reales de operación la cantidad de radiación que
incide sobre las celdas es menor que bajo condiciones óptimas. Por ejemplo, un
módulo de 55 Wp es capaz de producir 55 W más o menos un 10 % de tolerancia
cuando recibe una radiación solar de 1.000 vatios por metro cuadrado (W/m2) y
sus celdas poseen una temperatura de 25 ºC. En condiciones reales, este mismo
módulo produciría una potencia mucho menor que 55 W.
En el mercado, se pueden encontrar módulos fotovoltaicos de baja potencia,
desde 5 Wp; de potencia media, por ejemplo 55 Wp; y de alta potencia, hasta 160
Wp. En aplicaciones de electrificación rural suelen utilizarse paneles fotovoltaicos
con capacidades comprendidas entre los 50 y 100 Wp.
La vida útil de un panel fotovoltaico puede llegar hasta 30 años, y los fabricantes
generalmente otorgan garantías de 20 o más años. El mantenimiento del panel
solamente consiste de una limpieza del vidrio para prevenir que las celdas
fotovoltaicas no puedan capturar la radiación solar.
BATERÍAS FOTOVOLTAICAS
Las baterías fotovoltaicas son un componente muy importante de todo el sistema
pues realizan tres funciones esenciales para el buen funcionamiento de la
instalación:
• Almacenan energía eléctrica en periodos de abundante radiación solar y/o bajo
consumo de energía eléctrica. Durante el día los módulos solares producen más
energía de la que realmente se consume en ese momento. Esta energía que no se
utiliza es almacenada en la batería.
• Proveen la energía eléctrica necesaria en periodos de baja o nula radiación solar.
Normalmente en aplicaciones de electrificación rural, la energía eléctrica se utiliza
intensamente durante la noche para hacer funcionar tanto lámparas o bombillas
así como un televisor o radio, precisamente cuando la radiación solar es nula.
Estos aparatos pueden funcionar correctamente gracias a la energía eléctrica que
la batería ha almacenado durante el día.
• Proveen un suministro de energía eléctrica estable y adecuada para la utilización
de aparatos eléctricos. La batería provee energía eléctrica a un voltaje
relativamente constante y permite, además, operar aparatos eléctricos que
requieran de una corriente mayor que la que pueden producir los paneles (aún en
los momentos de mayor radiación solar). Por ejemplo, durante el encendido de un
televisor o durante el arranque de una bomba o motor eléctrico.
APLICACIONES
En general, los sistemas fotovoltaicos pueden tener las mismas aplicaciones que
cualquier sistema generador de electricidad. Sin embargo, las cantidades de
potencia y energía que se pueden obtener de un sistema fotovoltaico están
limitadas por la capacidad de generación y almacenamiento de los equipos
instalados, especialmente de los módulos y la batería respectivamente, y por la
disponibilidad del recurso solar. Técnicamente, un sistema fotovoltaico puede
producir tanta energía como se desee; sin embargo desde el punto de vista
económico, siempre existen limitaciones presupuestarias en cuanto a la capacidad
que se puede instalar.
Dependiendo de su aplicación y de la cantidad y tipo de energía producida, los
sistemas fotovoltaicos se pueden clasificar en las siguientes categorías:
• Lámparas portátiles.
• Sistemas indi viduales de Corriente Directa (CD) para aplicaciones domésticas.
• Sistemas individuales de Corriente Alterna (CA) para aplicaciones domésticas.
• Sistemas centralizados aislados de la red.
• Sistemas centralizados conectados a la red.
FUNCIONAMIENTO
Las celdas fotovoltaicas conocidas también como celdas solares están hechas de
de materiales semiconductores, en especial de silicio, el mismo que se emplea en
la industria de la microelectrónica. Se emplea una delgada rejilla semiconductora
para poder originar un campo eléctrico, positivo en un lado y negativo en el otro,
claro está; cuando la energía proveniente de los rayos solares llega a la celda
fotovoltaica, los electrones son golpeados y sacados de los átomos del material
semiconductor.
La electricidad se obtiene se ponen a los semiconductores tanto positivos como
negativos formando un circuito eléctrico, es entonces cuando los electrones son
capturados en forma de corriente eléctrica. Las celdas son aquellas que, juntas,
forman un panel fotovoltaico, pero un arreglo de varias celdas conectadas
eléctricamente unas con otras en una estructura generan un módulo fotovoltaico.
Los módulos son construidos con el objetivo de brindar un determinado nivel de
voltaje, un ejemplo es un sistema de 12 voltios; la corriente que se produzca
dependerá siempre de cuanta luz el módulo capte. Los sistemas de este estilo
puede funcionar aisladamente o conectados en red; con respecto a estos último,
los mismos interaccionan a través de una interfaz electrónica, es decir, un
inversor, que transforma la corriente directa en alterna para poder ser utilizada
luego.
PIRANOMETRO
Un
piranómetro (también
llamado solarímetro y actinómetro)
es
un
instrumento utilizado para medir de manera muy precisa la radiación
solar incidente sobre la superficie de la tierra. Se trata de un sensor diseñado para
medir la densidad del flujo de radiación solar (vatios por metro cuadrado) en un
campo de 180 grados.
FUENTE : www.cubasolar.cu
Generalmente con el Piranómetro se toman 3 medidas de radiación que son:
Radiación Difusa: es la radiación que va en todas direcciones, como consecuencia
de las reflexiones y absorciones.
Radiación Directa: Es aquella que llega directamente del Sol sin haber sufrido
cambio alguno en su dirección.
Radiación Reflejada: Es aquella que es reflejada por la superficie.
Procedimiento
1. se procede a la explicación e identificación de los diversos componentes del
banco de prueba.
2. ver que las condiciones de las conexiones y de configuración de los aparatos
como el multímetro.
3. ubicar el banco en un lugar donde la radiación llegue de una manera directa, es
decir que no haya objetos que se interponga entre el sol y el panel.
4. Se va a trabajar con tres tipos de configuraciones (A,B,C). en cada una de ellas
se tomaran los datos pertinentes.
5. se van a tomar datos de voltajes, este dato proviene del piranometro.
6. Con la configuración A batería conectada se tendrá:
Carga = panel + batería se toman los valores de corriente del panel y voltaje del
sistema sin conectar carga al sistema.
7 se harán toma de datos con bombillos encendidos del modo indicado en la
siguiente tabla:
Carga
A
B
C
D
Configuración
bombillo
0
1
1-2
3
E
F
G
H
I
J
K
L
M
1-3
1-2-3
3-4
1-3-4
1-2-3-4
3-4-5
1-3-4-5
1-2-3-4-5
1-2-3-4-5-fan
8. se repiten los pasos del 5 en adelante para cada una de las configuraciones
establecidas.
Día de la toma de datos: 15 de julio de 2010 (día nublado)
PARA HALLAR LA RADIACIÓN
       
   
   
   
   
 
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    
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  
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CÁLCULOS ELÉCTRICOS
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 
  
  
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  
  
  

CALCULOS
Calculo de la potencia incidente solar
De la ecuación (2)
  
De la ecuación (3)
         
Evaluando la ecuación (1) con
  
        
De la ecuación (4) calculamos la potencia incidente total

  

Y de (5)
 
 
Por lo tanto la potencia incidente

  
   
La potencia del panel es:

Mediante la ecuación (8)
   
  
   
   
TABLA DE RESULTADOS
CONFIGURACIÓN A
n
o
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c
a
r
u
g
if
n
o
C
a
g
r
a
C
PANEL + BATERIA = CARGA
a
m
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s
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c
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e
i
c
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E
A
cero
13,60
0,00
1,50
-1,50
5,10
0,00 20,40 20,40 217,05
0,18
B
1
13,50
0,30
1,50
-1,20
5,40
4,05 20,25 16,20 229,81
0,16
C
1-2
13,40
0,70
1,50
-0,80
5,50
9,38 20,10 10,72 234,07
0,15
D
3
13,20
1,00
1,50
-0,50
5,30 13,20 19,80
-6,60 225,56
0,16
E
1-3
13,00
1,50
1,50
0,00
5,50 19,50 19,50
0,00 234,07
0,14
F
1-2-3
12,70
1,80
1,50
0,30
5,20 22,86 19,05
3,81 221,30
0,16
G
3-4
12,60
2,10
1,50
0,60
5,30 26,46 18,90
7,56 225,56
0,15
H
1-3-4
12,40
2,40
1,50
0,90
5,50 29,76 18,60
11,16 234,07
0,14
I
1-2-3-4
12,10
2,80
1,50
1,30
5,40 33,88 18,15
15,73 229,81
0,14
J
3-4-5
11,90
3,00
1,50
1,50
5,40 35,70 17,85
17,85 229,81
0,14
K
1-3-4-5
11,60
3,40
1,50
1,90
5,10 39,44 17,40
22,04 217,05
0,15
L
1-2-3-4-5
11,30
3,80
1,50
2,30
5,00 42,94 16,95
25,99 212,79
0,15
11,20
3,80
1,50
2,30
5,00 42,56 16,80
25,76 212,79
0,15
1-2-3-4-5M
FAN
Mediante la ecuación (9)
    
  
  

   
CONFIGURACIÓN B
PANEL = CARGA
n
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c
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C
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a
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e
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a
P
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e
d
ia
c
n
e
i
c
if
E
A
cero
19,10
0,00
0,00
0,00
4,80
0,00
0,00
0,00 204,28
0,00
B
1
17,10
0,50
0,50
0,00
4,90
8,55
8,55
0,00 208,53
0,08
C
1-2
15,80
0,90
0,90
0,00
4,70 14,22
14,22
0,00 200,02
0,15
D
3
14,60
1,10
1,10
0,00
4,70 16,06
16,06
0,00 200,02
0,17
E
1-3
12,30
1,40
1,40
0,00
4,90 17,22
17,22
0,00 208,53
0,16
F
1-2-3
7,90
1,50
1,50
0,00
4,80 11,85
11,85
0,00 204,28
0,12
G
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7,10
1,60
1,60
0,00
4,90 11,36
11,36
0,00 208,53
0,11
H
1-3-4
5,40
1,70
1,70
0,00
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9,18
9,18
0,00 217,05
0,08
I
1-2-3-4
4,60
1,70
1,70
0,00
5,50
7,82
7,82
0,00 234,07
0,06
J
3-4-5
3,80
1,70
1,70
0,00
5,50
6,46
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0,00 234,07
0,05
K
1-3-4-5
2,50
1,60
1,60
0,00
5,30
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4,00
0,00 225,56
0,03
L
1-2-3-4-5
1,60
1,50
1,50
0,00
5,00
2,40
2,40
0,00 212,79
0,02
1,80
1,60
1,60
0,00
5,20
2,88
2,88
0,00 221,30
0,02
1-2-3-4-5M
FAN
Mediante la ecuación (9)
    
  
  

   
CONFIGURACIÓN C
PANEL = BATERIA + CARGA
a
m
e
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s
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o
P
l
e
n
a
P
l
e
d
ia
c
n
e
i
c
if
E
A
cero
13,60
0,00
1,50
1,50
5,50
0,00 20,40
20,40 234,07
0,15
B
1
13,50
0,40
1,50
1,10
5,40
5,40 20,25
14,85 229,81
0,16
C
1-2
13,40
0,70
1,30
0,60
4,80
9,38 17,42
8,04 204,28
0,17
D
3
13,20
1,00
1,40
0,40
4,80 13,20 18,48
5,28 204,28
0,18
E
1-3
13,00
1,30
1,40
0,10
5,00 16,90 18,20
1,30 212,79
0,16
F
1-2-3
12,70
1,80
1,50
-0,30
5,30 22,86 19,05
-3,81 225,56
0,15
G
3-4
12,60
1,90
1,30
-0,60
4,90 23,94 16,38
-7,56 208,53
0,15
H
1-3-4
12,40
2,50
1,40
-1,10
4,80 31,00 17,36 13,64 204,28
0,17
I
1-2-3-4
12,10
2,90
1,50
-1,40
5,10 35,09 18,15 16,94 217,05
0,16
J
3-4-5
11,90
3,00
1,40
-1,60
4,80 35,70 16,66 19,04 204,28
0,16
K
1-3-4-5
11,60
3,40
1,40
-2,00
4,50 39,44 16,24 23,20 191,51
0,19
L
1-2-3-4-5
11,30
3,80
1,30
-2,50
4,30 42,94 14,69 28,25 183,00
0,19
M
1-2-3-4-5-FAN
11,20
Mediante la ecuación (9)
4,00
1,40
-2,60
4,70 44,80 15,68 29,12 200,02
0,16
    
  
  

   
GRAFICAS
Configuración A
Carga
50
40
30
20
10
0
0
2
4
6
8
P vs V
10
12
14
16
12
14
16
I vs V
Configuración A
Panel
25
20
15
10
5
0
0
2
4
6
8
P vs V
10
I vs V
Configuración A
Batería
30
20
10
0
-10
0
2
4
6
8
10
12
14
16
-20
-30
P vs V
I vs V
Configuración B
Carga
20
15
10
5
0
0
5
10
P vs V
15
I vs V
20
25
Configuración B
Panel
20
15
10
5
0
0
5
10
15
P vs V
20
25
I vs V
Configuración C
Carga
50
40
30
20
10
0
0
2
4
6
8
P vs V
10
I vs V
12
14
16
Configuración C
Panel
25
20
15
10
5
0
0
2
4
6
8
P vs V
10
12
14
16
12
14
16
I vs V
Configuración C
Batería
30
20
10
0
-10 0
2
4
6
8
10
-20
-30
-40
P vs V
I vs V
GRAFICAS DE EFICIENCIA
Configuración A
0.2
0.18
0.16
0.14
a
i
c
n
e
i
c
i
f
E
0.12
0.1
0.08
Panel
0.06
0.04
0.02
0
0
0.5
1
1.5
2
Corriente
Configuración B
0.18
0.16
0.14
a
i
c
n
e
i
c
i
f
E
0.12
0.1
0.08
Panel
0.06
0.04
0.02
0
0
0.5
1
Corriente
1.5
2
Configuración C
0.25
0.2
a
i
c
n
e
i
c
i
f
E
0.15
0.1
Panel
0.05
0
1.25
1.3
1.35
1.4
Corriente
1.45
1.5
1.55
ANALISIS DE RESULTADOS





Debido a que el voltaje del Piranométro varia con el tiempo el Cálculo de la
Radiación Total también.
Para hallar la Radiación directa se le resta a la Radiación total, la radiación
difusa que es obtenida con el voltaje de está.
La potencia incidente se halla con la Radiación Directa, divida por el coseno
del ángulo de inclinación del sol.
La eficiencia del panel es obtenido con la potencia eléctrica del panel divida
la potencia incidente
Se obtuvo la mayor eficiencia máxima del panel en la c onfiguración A.
CONCLUSIONES

Se concluye que las celdas fotovoltaicas son una alternativa energética que tiene
un gran futuro, pero en el momento falta realizar mayor investigación para que sea
competitivo con otros medios.

Se pudo observar en el desarrollo de la práctica , la gran influencia de las
condiciones ambientales al momento de obtener la radiación.

Al desarrollar la práctica ,se pudo
observar que hubo momento en que la
radiación no era suficiente para encender los bombillos a total capacidad

Se pudo ver que el panel tiene una gran sensibilidad a la radiación, ya que en
algunos instantes hubieron pequeñas bajas de radiación y la lectura en los
instrumentos variaba notablemente.
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