DESENVOLVIMENTO E ANÁLISE DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS CONCENTRADORES PARA O RIO GRANDE DO SUL. A. Zenzen 1

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1 DESENVOLVIMENTO E ANÁLISE DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS CONCENTRADORES PARA O RIO GRANDE DO SUL Izete Zanesco 12, Tiago C. Severo 12, Adriano Moehlecke 12, Márcia S. Pereira 1, Heston Silveira 2, Eduardo A. Zenzen 1 1 Faculdade de Física - 2 Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Tecnologia de Materiais Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul - PUCRS Av. Ipiranga, Prédio 96A - Porto Alegre - RS - CEP Telefone: Fax: izete@pucrs.br Resumo: A finalidade dos módulos fotovoltaicos concentradores é reduzir o custo da produção de energia elétrica a partir da conversão direta da energia solar. O objetivo deste trabalho é apresentar a construção e análise do desempenho de módulos concentradores estáticos otimizados para o Rio Grande do Sul, através da comparação com módulos convencionais. Para atingir este objetivo, o módulo fotovoltaico concentrador estático PEC-44D foi otimizado para sistemas fotovoltaicos autônomos, encontrando-se o ângulo de inclinação e a configuração do módulo que resultam no menor custo do conjunto de módulos. A redução no custo proporcionada pela substituição dos módulos convencionais por módulos concentradores é da ordem de 24%. Uma metodologia similar foi aplicada para otimizar o módulo concentrador para sistemas conectados à rede elétrica convencional e, neste caso, a redução no custo é de aproximadamente 16%. 1. Introdução e Objetivos O aumento das necessidades energéticas da sociedade atual e a importância do impacto da política adotada para a sociedade e o meio ambiente, leva a optar por uma fonte de energia inesgotável e que sirva de base para

2 um desenvolvimento sustentável. No contexto atual, a produção da energia elétrica a partir da conversão da energia solar ganha destaque devido às suas características intrínsecas. Esta tecnologia é denominada de energia solar fotovoltaica e se caracteriza por sua modularidade, simplicidade e rapidez de instalação bem como por ser silenciosa, necessitar de pouquíssima manutenção, estar disponível na maior parte do planeta e principalmente, por não contaminar o meio ambiente [1], [2]. O dispositivo base é a célula solar que, através do efeito fotovoltaico, converte diretamente energia solar em elétrica. Para viabilizar o uso desta tecnologia, estes dispositivos são associados, geralmente, em série, para formar um módulo fotovoltaico. Os módulos podem ser classificados em convencionais e concentradores. Estes últimos podem ser estáticos ou seguir o movimento aparente do Sol. A finalidade dos módulos concentradores estáticos é reduzir o custo desta tecnologia [3]-[6]. Consistem em um conjunto de células solares e em um sistema óptico, que concentra os raios solares sobre as mesmas [7]. Desta forma, para uma determinada potência, reduz-se a área de células e acrescenta-se um sistema óptico, fabricado com materiais mais baratos. O objetivo deste trabalho é apresentar a construção e análise do desempenho deste tipo de módulo otimizado para o Rio Grande do Sul, através da comparação com módulos convencionais. 2. Módulo Fotovoltaico Concentrador PEC-44D Este dispositivo é um concentrador linear, com as células bifaciais instaladas no plano da abertura de entrada, como mostra a Fig.1. Seu perfil é assimétrico, composto por um ramo de parábola, uma parte de uma circunferência e uma de elipse, definidas pelos ângulos de aceitação superior (ξ) e inferior (θ P ) [8]. Sua principal característica é de concentrar a radiação solar somente na face posterior das células bifaciais de forma variável ao longo do ano. No inverno ocorre o máximo fator de concentração e no verão o mínimo. Este comportamento compensa, em parte, a variada distribuição da radiação solar durante o ano, sendo máxima no verão e mínima no inverno. Conseqüentemente, a energia fornecida por este concentrador é aproximadamente constante ao longo do ano, enquadrando-se com a demanda energética de um sistema

3 fotovoltaico autônomo, também aproximadamente constante. ξ θ p Elipse Células Bifaciais Parábola Circunferência Figura 1. Seção transversal do módulo concentrador estático PEC-44D. 3. Otimização do Módulo Concentrador 3.1 Procedimentos Um sistema fotovoltaico autônomo tem por finalidade proporcionar energia elétrica para uma determinada carga. Depende diretamente da variação natural da radiação solar e, portanto, está sempre associado a uma certa probabilidade de falta de energia, LLP (Loss of Load Probability) [9]. A LLP é definida como a razão entre a energia solicitada pelo usuário e não suprida pelo sistema e a energia total demandada, considerando sempre um período de tempo muito longo, no mínimo dez anos para LLPs de A estrutura básica de um sistema fotovoltaico autônomo resume-se em um conjunto de módulos (subsistema de conversão) e um conjunto de baterias acompanhadas de um regulador (subsistema de armazenamento). Na Fig. 2 apresenta-se um esquema de um sistema fotovoltaico deste tipo. Ao subsistema de conversão associa-se a capacidade do conjunto de módulos C A, que é definida como a razão entre os valores médios diários da energia fornecida por este, se estivessem na horizontal, e a demanda energética [9]. Da mesma forma, a capacidade das baterias C S é definida como a razão entre a máxima energia que se pode extrair das baterias e a demanda energética diária média. A metodologia adotada consiste em otimizar o módulo PEC-44D, através de uma simulação numérica do sistema fotovoltaico durante dez anos [10]. Considerou-se como ótimos o ângulo de inclinação e a configuração do módulo que resultam no menor custo do conjunto de módulos.

4 Figura 2. Esquema de um sistema fotovoltaico autônomo. A fim de analisar a influência dos parâmetros mais relevantes na otimização do módulo PEC-44D, selecionaram-se intervalos significativos e representativos da realidade. Para atingir este objetivo, optou-se por dois valores de probabilidade de perda de carga (LLP = 10-1 e 10-2 ), três valores para a capacidade das baterias (C S = 4, 6 e 8), três casos de eficiência das faces das células solares bifaciais (caso 1: η f = η pt = 0,135; caso 2: η f = 0,16 e η pt = 0,11; caso 3: η f = 0,11 e η pt = 0,16), dois preços do sistema ótico (P con1 = R$130/m 2 e P con2 = R$260/m 2 ) e um preço das células encapsuladas (P cel = R$1000/m 2 ). η f é a eficiência na face frontal das células bifaciais encapsuladas e η pt é a eficiência total relativa a face posterior, que considera a eficiência da célula e as perdas devido ao sistema óptico. Foram cosideradas eficiências de células bifaciais industriais [11], [12]. No total, foram otimizadas 36 diferentes situações para cada local. Este procedimento também foi aplicado para a análise de sistemas autônomos com módulos convencionais. Neste caso, considerou-se a eficiência dos mesmos η = 0,16, a mesma que a eficiência na face frontal das células bifaciais a fim de facilitar as comparações das performances entre os dois tipos de módulos. Da mesma forma, o custo por metro quadrado dos módulos convencionais foi considerado P cel = R$1000/m 2. Uma metodologia similar foi aplicada para otimizar o módulo concentrador PEC-44D para sistemas conectados à rede elétrica convencional. Neste caso, o sistema consiste basicamente em um conjunto de módulos e inversores e possibilita um intercâmbio com a rede elétrica, como exemplifica a Fig. 3. Vendese energia quando a produção é superior ao seu consumo e compra-se energia da rede em caso contrário. Neste sistema é descartada a possibilidade de acumular energia, sendo preferível vender, pois aumentaria relativamente o custo. Outra característica importante dos sistemas conectados à rede é a integração dos

5 módulos nas fachadas de edifícios, como ilustra a Fig. 4. Neste caso, os módulos fotovoltaicos são associados à arquitetura das edificações, abrindo um promissor ramo de aplicações. Para otimizar o módulo para sistemas conectados à rede elétrica, foi modificado o parâmetro de comparação. Neste caso, a otimização foi realizada considerando o custo do conjunto de módulos relativo à energia produzida pelos mesmos. Em outras palavras, o custo do conjunto de módulos em função da energia elétrica diária média anual produzida pelos módulos concentradores. Figura 3. Esquema de um sistema fotovoltaico conectado à rede elétrica convencional. Figura 4. Sistema fotovoltaico integrado na fachada de um edifício na Alemanha. 3.2 Resultados Teóricos para Sistemas Fotovoltaicos Autônomos A metodologia apresentada anteriormente foi aplicada à oito localidades no Rio Grande do Sul e para a maioria dos lugares foram encontrados resultados similares, que se resumem em duas configurações. Também constatou-se que a face da célula bifacial com a maior eficiência deve estar voltada para o sistema óptico do módulo. Após uma análise dos resultados, os desenhos do módulo concentrador para o Rio Grande do Sul foram selecionados a partir dos ângulos médios para cada configuração. Para facilitar, os dispositivos foram

6 denominados de: PEC-RS e PEC-90. Na Figuras 5-a e 5-b comparam-se as duas configurações selecionadas, a partir da posição do Sol no céu durante o ano, isto é, desde o solstício de verão ao de inverno, para LLP=10-2. Observa-se que, ao meio dia solar, o Sol estará sempre numa posição tal que permanece dentro da abertura de entrada do concentrador durante todo o ano. O ângulo de inclinação para cada local é ligeiramente diferente do apresentado na Fig. 5. Para cada dispositivo, ao comparar o ângulo de inclinação para as duas LLPs, constata-se que seu valor sempre é maior para a menor LLP para todas as localidades. A simulação apresentada anteriormente foi aplicada também a um sistema fotovoltaico autônomo com módulos convencionais, a fim de comparar a performance dos módulos PEC-RS e PEC-90 com estes. Otimizouse o ângulo de inclinação dos módulos convencionais para cada uma das oito cidades selecionadas. Novamente, constata-se que o ângulo de inclinação ótimo depende da LLP e que os maiores valores correspondem a menor LLP. As Figuras 6-a e 6-b comparam a irradiação diária média mensal em Porto Alegre que incide nas células bifaciais, para o módulo PEC-RS e PEC-90, com aquela que chega nas células de um módulo convencional instalado com o melhor ângulo de inclinação, para LLP=10-1 e LLP=10-2, respectivamente. Observa-se que para as duas LLPs, a variação ao longo do ano da irradiação é similar para os dois tipos de módulos. No entanto, para a maior LLP e para os três módulos, nos meses de inverno a irradiância é, em média, 27% menor que nos meses de verão. Isto significa que para esta LLP, no inverno ocorrerá a maior quantidade de falta de energia. A irradiância correspondente aos módulos convencionais é maior, seguida daquela incidente no PEC-90. Sabendo que a irradiância é diretamente proporcional a energia elétrica produzida e que as respostas os módulos concentradores é ligeiramente inferior, faz-se necessário aumentar a área total do módulo PEC-RS e do módulo PEC-90 em 23% e 13%, respectivamente, para que produzam a mesma energia que os módulos convencionais. Este resultado é decorrente das perdas do sistema óptico e da variação da concentração da radiação solar ao longo do dia.

7 ZÊNITE SOLSTÍCIO DE VERÃO ZÊNITE SOLSTÍCIO DE VERÃO θ z =7 o θ z =7 o θ z =54 o SOLSTÍCIO DE INVERNO ξ=90 o θ Ζ =54o SOLSTÍCIO DE INVERNO ξ=35 o CÉLULAS BIFACIAIS VIDRO CÉLULAS BIFACIAIS θ p =15 o θ p =2 o VIDRO β=40 o β=52 o (a) (b) Figura 5. Posição do Sol nos solstícios, ângulos de aceitação e ângulo de inclinação dos módulos (a) PEC-RS e (b) PEC-90 para Porto Alegre. Irradiação Diária Média Mensal (kwh/m²) Irradiação Diária Média Mensal (kwh/m²) Convencional PEC-RS PEC Mês (a) Convencional PEC-RS PEC Mês (b) Figura 6. Irradiação diária média mensal que incide nas células bifaciais dos módulos PEC-RS e PEC-90 e nas células de um módulo convencional, considerando que são instalados num sistema fotovoltaico autônomo em Porto Alegre, para (a) LLP=10-1 e (b) LLP=10-2. Foi realizada uma análise da redução no custo do conjunto de módulos de um sistema fotovoltaico autônomo proporcionada pela substituição dos módulos convencionais por módulos PEC-RS e PEC-90 otimizados para o Rio Grande do Sul. Para os oito locais e considerando P con1, os valores são similares e em média a redução no custo pelo uso de módulos PEC-RS e PEC-90 é de 24%, independente da LLP. Ao comparar teoricamente os dois módulos concentradores, o mais adequado é o módulo PEC-90, pois a redução no custo é similar àquela proporcionada pelo módulo PEC-RS e o aumento na área é aproximadamente a metade.

8 3.3 Resultados Teóricos para Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede Elétrica A metodologia descrita anteriormente para sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica foi aplicada às oito cidades selecionadas. Considerou-se que os módulos concentradores são instalados na fachada de edificações voltadas ao norte e, portanto, o ângulo de inclinação é de 90º. Os resultados demonstraram que os ângulos de aceitação são os mesmos para todas os locais do Rio Grande do Sul: θ p = 0 o e ξ = 90 o. Este dispositivo foi denominado de PEC-FAC. Também constatou-se que o menor custo do subsistema de conversão ocorre quando a face da célula bifacial com maior eficiência está voltada para o lado oposto do sistema ótico. O mesmo método foi aplicado considerando que o sistema fotovoltaico é constituído de módulos convencionais. Desta forma, é possível comparar a resposta e a redução no custo para os dois tipos de módulo. Verificou-se que para o valor de P con2 o custo dos módulos PEC-FAC é similar ao dos módulos convencionais. Isto inviabiliza o concentrador para preços do sistema óptico iguais ou superiores a R$260/m 2. No entanto, para o menor valor do sistema ótico (P con 1 =130/m 2 ), o uso do módulo PEC-FAC representa uma redução no custo do conjunto de módulos de 21%. A seção transversal do módulo PEC-FAC é composta por parte de uma elipse e por parte de uma circunferência, desaparecendo a parábola. Com o objetivo de buscar um perfil mais simples e de fácil construção a fim de reduzir os custos, realizou-se uma comparação entre este módulo e um alternativo com ambos ângulos de aceitação de 90 o, denominado PEC-FAL. Neste caso, o perfil é uma semicircunferência, conforme mostra a Fig. 7. Através de uma análise de custos, constatou-se um pequeno aumento de aproximadamente 5% em relação ao PEC-FAC. Porém quando comparado com um módulo convencional a redução chega a 16%. Na Fig. 8 compara-se a irradiância diária média mensal relativa aos módulos PEC-FAC e PEC-FAL com aquela correspondente a um módulo convencional, todos instalados na fachada de um edifício voltada ao norte em Porto Alegre. Nota-se que a variação da irradiação ao longo do ano é similar para os três

9 dispositivos. Para os módulos convencionais, o valor é maior pois nos concentradores existem perdas devido ao sistema óptico. células bifacias zênite solstício de verão θz=7 ο θz=54 0 ξ=90 ο solstício de inverno vidro θ P=90 0 β=90 0 Figura 7. Seção transversal do módulo PEC-FAL instalado na fachada de um edifício. Irradiação Diária Média Mensal (kwh/m²) PEC-FAC PEC-FAL CONVENCIONAL Mês Figura 8. Irradiação diária média mensal para os módulos PEC-FAC, PEC-FAL e para um módulo convencional em Porto Alegre. Todos os módulos possuem um ângulo de inclinação de 90 e estão voltados ao norte. 4. Análise Experimental 4.1 Confecção dos Protótipos Para realizar as medidas experimentais em condições externas, foram construídos protótipos dos três módulos concentradores. Primeiramente, é necessário desenvolver os moldes para a confecção do sistema óptico do módulo PEC-RS e PEC-90. A seção transversal do sistema óptico foi obtida em uma placa de cobre.

10 A seguir foi confeccionado um semi-cilindro de parafina, derretendo o material e colocando-o em um molde. Então, a placa de cobre com a seção transversal do sistema óptico foi passada muitas vezes sobre a parafina, esculpindo pouco a pouco o desenho do sistema óptico. Por fim, o molde foi recoberto com uma placa de cobre para que o sistema óptico não apresente rugosidade na sua superfície interna. Também foi necessário polir o cobre com cera desmoldante. O molde completo é apresentado na Fig. 9. Figura 9. Molde do sistema óptico do módulo PEC-RS, obtido a partir de parafina e com revestimento de cobre. Com os moldes do sistema óptico dos dois dispositivos prontos, iniciou-se a construção dos mesmos. Sobre o molde alternaram-se camadas de fibra de vidro e resina cristal. Foram utilizadas fibras de vidro com diferentes espessuras, sendo as mais finas colocadas primeiro, para dar um bom acabamento interno, e as mais grossas posteriormente, para dar resistência mecânica. A superfície interna do sistema ótico foi recoberta com o filme de prata ECP 305 da 3M, como ilustra a Fig. 10. A seção transversal do sistema óptico do módulo PEC-FAL é uma semicircunferência e, portanto, não foi preciso desenvolver um molde. O sistema óptico foi construído a partir de um tubo de PVC de 5 cm de diâmetro cortado ao meio. A superfície interna foi recoberta com o filme de prata auto-adesivo da 3M. Para completar os protótipos dos módulos concentradores, é necessário medir independentemente a irradiância que incide em cada face das células bifaciais. Esta meta foi alcançada utilizando-se células solares monofaciais devidamente encapsuladas e calibradas. Sobre uma placa de circuito impresso de dupla face de 25 cm de comprimento e 3,5 cm de largura, foi realizado o desenho para as conexões elétricas das células. Nesta placa foram soldadas duas células solares

11 monofaciais, devidamente alinhadas, uma para medir a irradiância incidente diretamente na face frontal das células bifaciais e a outra para medir a irradiância concentrada pelo sistema óptico, que incide na face posterior das células bifaciais. Nas demais regiões que deveriam estar preenchidas por células, colocou-se papel auto-adesivo de coloração similar à das células, para evitar influências devido às reflexões. Figura 10. Sistema óptico do módulo PEC-RS com e sem filme refletor de prata da 3M. As células solares foram encapsuladas com vidro e o silicone Sylgard 184, da Dow Corning, próprio para o encapsulamento de células solares. O sylgard permite acoplar opticamente o vidro às células, pois possui um índice de refração de 1,43. Além disto, tem a vantagem de possuir uma baixa absorção na região do espectro solar em que as células solares de silício são sensíveis. Todas as células solares foram calibradas. Esta tarefa foi realizada durante vários dias com céu sem nuvens, a partir das 10 horas até às 16 horas e posicionadas de tal forma que os raios solares incidissem quase perpendicularmente. Após a calibração das células, estas foram acopladas ao sistema ótico e o dispositivo foi vedado cuidadosamente com silicone transparente. Na parte lateral dos protótipos foram colocados vidros, com as dimensões adequadas, para isolar completamente a parte interna dos dispositivos. Na Fig. 11 mostra-se o protótipo do módulo PEC- FAL. Figura 11. Protótipo do módulo concentrador estático PEC-FAL para fachadas voltadas ao norte.

12 4.2 Análise dos Resultados Experimentais Para caracterizar experimentalmente os protótipos foram medidas as respostas de cada célula solar acoplada a cada dispositivo, a irradiância solar incidente na superfície inclinada em que foi instalado o protótipo, a temperatura ambiente e a radiação solar global, isto é, a irradiância sobre uma superfície horizontal. Esta irradiância está sendo medida através de um piranômetro Eppley e a temperatura ambiente está sendo medida por um termopar tipo K e por um termistor. Os dois sensores de temperatura foram calibrados no LABELO, Laboratórios Especializados em Eletroeletrônica da PUCRS. Para acondicionar os sensores de temperatura, foi construído um abrigo segundo as normas internacionais [13]. Para a realização das medidas foi implementado um sistema de aquisição de dados automatizado. Os principais equipamentos são um microcomputador Pentium 133 MHz e o módulo de aquisição de dados modelo HP34970-A com o multiplexador HP 34901A acoplado. A comunicação entre os dois dispositivos é realizada através da interface GPIB modelo HP82341C. O software que controla o sistema de aquisição de dados foi desenvolvido em ambiente Agilent VEE. Definiu-se que o aplicativo em questão deve instruir o módulo de aquisição de dados a realizar leituras das 6 horas (hora solar) até às 19 horas (hora solar), com intervalos de cinco minutos entre as medidas. Os dados são gravados no disco rígido do microcomputador, para posteriormente serem tratados. Cabe destacar que os equipamentos de medida estão acondicionados em uma sala com refrigeração que mantém a temperatura ambiente entorno de 25 o C, enquanto as medidas estão sendo realizadas. Na Fig. 12 compara-se a irradiância diária média mensal dos módulos concentradores PEC-RS, e PEC- 90 com a resposta de um módulo convencional, considerando ambos com a mesma área. A irradiância incidente em um módulo convencional é igual a irradiância sobre uma superfície inclinada com o ângulo de inclinação de 52 o, medida com uma célula solar calibrada. Cabe lembrar que a energia elétrica produzida é proporcional a irradiância incidente. Ao comparar a resposta dos módulos apresentada na Fig. 12, como é esperado, nota-se que o dispositivo convencional apresenta a maior resposta, pois nos concentradores ocorrem perdas ópticas e o fator de concentração é variável ao longo do dia, além de ser variável ao longo do

13 ano. Analisando esta figura, da mesma forma que na Fig. 6-b, conclui-se que a resposta do módulo PEC-RS é inferior a resposta do PEC-90. Portanto, a resposta dos módulos concentradores é a esperada, sendo válida a análise teórica realizada. Desta forma, confirma-se que o módulo PEC-90 é o mais viável economicamente para o Rio Grande do Sul, pois apresenta o menor aumento da área e uma redução no custo similar ao módulo PEC-RS. Irradiação Diária Média Mensal (kwh/m²) Convencional PEC-90 PEC-RS Ago Set Out Nov Dez Jan Mês Figura 12. Comparação entre a irradiação diária média mensal medida, relativa aos módulos PEC-RS, PEC- 90 e convencionais. As irradiâncias diárias médias mensais relativas ao módulo PEC-FAL e a um módulo convencional instalado com um ângulo de inclinação de 90 o e voltado ao norte são comparadas na Fig. 13. A irradiância relativa ao módulo convencional foi medida com um piranômetro fotovoltaico. Como se espera, a resposta do módulo convencional é ligeiramente superior, pois a área dos dois é igual. Da mesma forma que na Fig. 8, a resposta do módulo concentrador nos meses de verão é inferior que nos meses de inverno, devido ao ângulo de inclinação de 90. Irradiação Diária Média Mensal (kwh/m²) Convencional PEC-FAL Ago Set Out Nov Dez Jan Mês Figura 13. Comparação entre a irradiação diária média mensal medida, relativa ao módulo PEC-FAL e a um módulo convencional.

14 5. Conclusões A partir de uma comparação teórica e experimental entre módulos convencionais e concentradores, concluiu-se que o módulo PEC-90 apresenta os melhores resultados para o Rio Grande do Sul. Também constatou-se que a redução no custo proporcionada pela substituição dos módulos convencionais por módulos PEC-90 é da ordem de 24%. Para sistemas conectados à rede elétrica e instalados em fachadas de edificações voltadas ao norte, a substituição de módulos convencionais por módulos PEC-FAL resulta em uma redução no custo de 16%. Portanto, conclui-se que o uso de módulos concentradores estáticos no Rio Grande do Sul pode proporcionar uma redução significativa no custo de um sistema fotovoltaico. 6. Referências [1] L. D. Partain. Solar cells and their applications. John Wiley & Sons. New York. 561p. (1995). [2] O. Hohmeyer. The social costs of electricity-renewables versus fossil and nuclear energy. Int. J. Solar Energy, Vol11, p. (1992). [3] M. Brogren, B. Karlsson e H. Hahansson. Design and modeling of low-concentrating photovoltaic solar energy systems and investigation of irradiation distribution on modules in such systems. 17 th European Photovoltaic Solar Energy Conference, p , (2001). [4] T. Maruyama e S. Osako. Wedge-shaped light concentrator using total internal reflection. Solar Energy Materials & Solar Cells, 57, p , (1999). [5] A. Luque, G. Sala, G L. Araújo e T. Bruton. Cost reduction potential of photovoltaic concentration. Int. J. Solar Energy, vol. 17, p (1995). [6] R. M. Swanson. The promise of concentrators. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 8, p (2000).

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