FR2465101A1 - SOLAR INSTALLATION WHOSE POWER IS FULLY AVAILABLE - Google Patents
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Abstract
A.INSTALLATION SOLAIRE DONT LA PUISSANCE EST DISPONIBLE DE FACON SOUPLE. B.INSTALLATION COMPORTANT UN CAPTEUR SOLAIRE 1 A PHOTOPILES FOURNISSANT DU COURANT UTILISE POUR DECOMPOSER 2 DE L'EAU EN OXYGENE ET HYDROGENE, STOCKES DANS DES RESERVOIRS 3, 4 POUR ETRE DE NOUVEAUX COMBINES 5 SUIVANT LES BESOINS, EN EAU, LA CHALEUR AINSI RESTITUEE ETANT UTILISEE DANS UNE TURBINE G ENTRAINANT UNE GENERATRICE 16. C.L'INVENTION S'APPLIQUE AU STOCKAGE DE L'ENERGIE D'ORIGINE SOLAIRE.A. SOLAR INSTALLATION WHOSE POWER IS FLEXIBLE AVAILABLE. B. INSTALLATION CONTAINING A SOLAR COLLECTOR 1 WITH PHOTOPILES PROVIDING CURRENT USED TO DECOMPOSE 2 OF THE WATER INTO OXYGEN AND HYDROGEN, STORED IN TANKS 3, 4 TO BE NEW COMBINATIONS 5 ACCORDING TO NEEDS, IN WATER, HEAT AS WELL AS BEING USED IN A TURBINE G DRIVING A GENERATOR 16. C. THE INVENTION APPLIES TO THE STORAGE OF ENERGY OF SOLAR ORIGIN.
Description
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La présente invention concerne une installa- The present invention relates to an installation
tion solaire dont la puissance est disponible de façon souple., Les conceptions siuivies dans les installations solaires réalisées jusqu'à présent résident dans les points essentiels suivants: A. Installationsthermiquestravaillant suivant le principe d'une tour, composée essentiellement de - un collecteur (un champ de miroirs), - un récepteur (tour), - un circuit de fluide caloporteur (pour le transfert de la chaleur du récepteur vers le convertisseur d'énergie), - un convertisseur d'énergie (turbomachine + générateur), The following concepts have been developed in the solar installations, which have been realized so far: A. Thermal installations operating on the principle of a tower, consisting essentially of a - a collector (a mirror field), - a receiver (tower), - a coolant circuit (for transferring heat from the receiver to the energy converter), - a power converter (turbomachine + generator),
- éventuellement des accumulateurs d'énergie. - possibly energy accumulators.
B. - Des installations thermiques travafiRant selon le principe de la ferme et composée de: - un collecteur (champ de miroirs), - un évaporateur (pour fournir de la valeur saturée), - un convertisseur d'énergie (machine à vapeur ou turbine et générateur), B. - Thermal installations working on the farm principle and consisting of: - a collector (mirror field), - an evaporator (to provide saturated value), - an energy converter (steam engine or turbine and generator),
- éventuellement un accumulateur d'énergie. - possibly an energy accumulator.
C. - La transformation directe par des cellules photovoltaiques, installation composée de: - un montage parallèle/série de cellules pour donner du courant continu sous une tension utilisable en pratique, conversion du courant continu en courant alternatif, C. - The direct transformation by photovoltaic cells, installation composed of: - a parallel / series assembly of cells to give direct current under a voltage usable in practice, conversion of the direct current into alternating current,
- éventuellement un accumulateur d'énergie. - possibly an energy accumulator.
Le concept A convient particulièrement pour des Concept A is particularly suitable for
installations de grandes dimensions d'une puissance allant jus- large installations of up to
qu'à 20 MW. Le rendement thermique prévisible, que l'on peut obtenir à l'avenir avec les matériaux disponibles (rendement entre les bornes du générateur et l'énergie solaire reçue) et qui est pris en moyenne sur la durée d'une année et suivant un than 20 MW. Predictable thermal efficiency, which can be obtained in the future from the available materials (efficiency between the generator terminals and the solar energy received) and which is taken on average over the course of a year and following a
cycle journalier se situe entre 8 et 15 %. Ce rendement thermi- daily cycle is between 8 and 15%. This thermal efficiency
que relativement mauvais se répercute de façon très importante sur les frais élevés du collecteur et du récepteur (les éléments les plus coûteux de l'ensemble de l'installation) car il faut that relatively bad affects very heavily the high costs of collector and receiver (the most expensive elements of the entire installation) because it takes
les prévoir pour des puissances thermiques très importantes. to provide them for very important thermal powers.
Un autre inconvénient important réside dans le couplage étroit entre le rayonnement solaire reçu et la puissance fournie, si bien que cette puissance fournie ne peut Another important drawback lies in the close coupling between the solar radiation received and the power supplied, so that this power supplied can not
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atteindre la souplesse souhaitée par l'utilisateur. En principe, on peut réduire cet inconvénient par un accumulateur thermique ou hydraulique ou encore par l'apport variable dans le temps d'énergie fossilée.Dans les deux premiers cas, les coûts de l'installation sont considérables; dans le dernier cas, la fourniture complémentaire d'énergie fossilée constitue une difficulté. La conception A a été envisagée jusqu'à présent pour les puissances faibles, dans la mesure o le rendement achieve the flexibility desired by the user. In principle, this disadvantage can be reduced by a thermal or hydraulic accumulator or by the variable contribution in time of fossil energy. In the first two cases, the costs of the installation are considerable; in the latter case, the complementary supply of fossil energy constitutes a difficulty. Design A has been considered so far for low powers, as far as performance is concerned
thermique est extrêmement bas et qu'il est difficilement envi- temperature is extremely low and it is difficult to
sageable de collecter les quantités de vapeur saturée, néces- sable to collect the quantities of saturated steam,
saires pour une installation de grandes dimensions. Par ailleurs, les mêmes remarques que celles faites pour la conception A s'appliquent à la souplesse de la fourniture de puissance ou for a large installation. Moreover, the same remarks as those made for design A apply to the flexibility of the supply of power or
de la nécessité d'emmagasiner de l'énergie. the need to store energy.
La conception C n'a été utilisée jusqu'à présent que pour les applications spatiales à cause du coût extrêmement Design C has been used so far only for space applications because of the extremely low cost
élevé des cellules photovolta!ques ou encore appelées photo- high photovoltaic cells or else called photo-
piles. Le rendement des photopiles dépend très fortement du Battery. The efficiency of the photocells depends very strongly on
matériau utilisé et selon les connaissances actuelles des rende- material used and according to current knowledge of the
ments allant jusqu'à 28 % (puissance électrique/rayonnement solaire) semblent possibles. Les résultats expérimentaux atteints jusqu'à ce jour se situent au maximum à 18 %. De nouveaux développements ont montré que les cots spécifiques actuels up to 28% (electrical power / solar radiation) seem possible. The experimental results achieved to date are at most 18%. New developments have shown that the current specific costs
(co t rapporté à la puissance) d'une photopile ont très large- (compared to the power) of a solar cell have very large
ment diminué et en même temps l'efficacité des piles a été rapprochée de façon importante de la grandeur potentielle possible. En principe, les mêmes remarques s'appliquent à la possibilité d'accumulation, que les remarques faites pour les conceptions A et B; dans le cas présent, l'accumulation nécessite une conversion permanente de l'énergie électrique decreased and at the same time the efficiency of the batteries has been significantly brought closer to the potential magnitude possible. In principle, the same remarks apply to the possibility of accumulation as the remarks made for conceptions A and B; in this case, the accumulation requires a permanent conversion of the electrical energy
en excédent sous la forme d'énergie thermique ou hydraulique. in excess in the form of thermal or hydraulic energy.
Dans le cadre de la séparation souhaitable entre le rayonnement solaire et la puissance fournie ou encore du problème de l'accumulation d'énergie, il faut savoir que In the context of the desirable separation between solar radiation and the power supplied or the problem of the accumulation of energy, it should be known that
d'une part en moyenne le rayonnement solaire est limité à seule- On the one hand, on average, solar radiation is limited to only
ment 12 heures par jour et que d'autre part: a) la puissance fournie, échellonnée suivant les cycles connus, s'étale sur toute une journée (24 heures); b) la puissance fournie, peut être très différente suivant les 12 hours a day and on the other hand: a) the power supplied, scaled according to the known cycles, is spread over a whole day (24 hours); b) the power supplied, may be very different depending on the
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jours de la semaine; c) les variations existant nécessairement du rayonnement solaire (par exemple du fait du passage des nuages) ne doivent autant que faire se peut ne pas se répercuter sur la puissance fournie. days of the week; c) the variations necessarily existing solar radiation (for example due to the passage of clouds) must as much as possible not to affect the power supplied.
Partant du fait que pour une souplesse satis- Starting from the fact that for a satisfactory flexibility
faisante de la puissance fournie c'est-à-dire pour une charge de l'installation qui est totalement adaptée au comportement de l'utilisateur ou du consommateur, il faut un accumulateur d'énergie d'une capacité d'énergie correspondant sensiblement making the power supplied, that is to say for a load of the installation which is totally adapted to the behavior of the user or the consumer, it is necessary to have an energy accumulator with a corresponding energy capacity substantially
à 100 - 150 % de la production journalière normale. L'accumula- at 100 - 150% of normal daily production. The accumulation
tion d'énergie thermique ou hydraulique selon les ordres de thermal or hydraulic energy according to the orders of
grandeur envisagés ici, se traduirait par un co t de construc- magnitude envisaged here, would result in a cost of construction
tion extrêmement élevé et ne semble pas réalisable en pratique. extremely high level and does not seem feasible in practice.
Dans la solution connue consistant à compléter le rayonnement solaire par du chauffage de combustible fossilé, on peut remédier en principe à la différence indiquée ci-dessus, variable dans In the known solution consisting in supplementing the solar radiation by heating fossil fuel, it is possible in principle to remedy the difference indicated above, variable in
le temps, entre le rayonnement et la puissance fournis. Toute- the time, between the radiation and the power provided. Toute-
fois, cette solution est contraire à l'indépendance que l'on recherche vis-à-vis de l'énergie provenant de combustible fossile, et nécessite en outre une infrastructure supplémentaire This is contrary to the independence of energy from fossil fuels and also requires additional infrastructure.
pour l'alimentation en combustible fossilé. De plus pour compen- for the supply of fossil fuel. Moreover, for
ser les oscillations mentionnées sous le point c) par un chauffage complémentaire à l'aide de combustible fossilé, et en tenant compte de la charge thermique non stationnaire des pièces sensibles (récepteur, circuit du fluide caloporteur, the oscillations mentioned under point (c) by additional heating using fossil fuel, taking into account the non-stationary thermal load of the sensitive parts (receiver, heat transfer medium circuit,
turbine à gaz), cette solution n'est pas sans problème. gas turbine), this solution is not without problems.
La présente invention a pour but de remédier The present invention aims to remedy
aux inconvénients des solutions connues et de créer une instal- disadvantages of known solutions and to create a
lation solaire permettant une séparation optimale entre le solar system for optimal separation between the
rayonnement solaire reçu et la puissance souhaitée, fournie. received solar radiation and the desired power, provided.
A cet effet, l'invention concerne une installa- For this purpose, the invention relates to an installation
tion solaire dont la puissance est disponible de façon souple, cette installation étant caractérisée en ce qu'elle comporte un collecteur solaire composé de photopiles réparties en groupes, solar power whose power is available in a flexible manner, this installation being characterized in that it comprises a solar collector composed of solar cells divided into groups,
donnant un courant continu sous une tension utilisable en pra- giving a direct current under a voltage usable in
tique, et qui est utilisé pour décomposer (réservoir) de l'eau en hydrogène et oxygène à l'état gazeux, l'oxygène et l'hydrogène gazeux étant fournis par des réservoirs sous pression 3, 4, distincts servant d'accumulateurs0 à la chambre de combustion which is used to decompose (reservoir) water into hydrogen and oxygen in the gaseous state, oxygen and hydrogen gas being supplied by separate pressure tanks 3, 4 serving as accumulators 0 to the combustion chamber
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d'une installation de turbine à gaz à circuit fermé et à combustion interne (hydrogène et oxygène) et le fluide de travail de l'installation de la turbine à gaz est constitué par de l'air ou le cas échéant de l'hélium, la vapeur d'eau engendrée par la combustion de l'oxygène et de l'hydrogène étant extraite de nouveau du circuit de la turbine à gaz après refroidissement (préréfroidisseur) du mélange gazeux formé d'air (ou d'hélium) et de vapeur d'eau, par l'intermédiaire a closed circuit and internal combustion gas turbine (hydrogen and oxygen) installation and the working fluid of the gas turbine plant is constituted by air or, if appropriate, helium, the water vapor generated by the combustion of oxygen and hydrogen is extracted again from the circuit of the gas turbine after cooling (pre-cooler) of the gaseous mixture of air (or helium) and steam of water, through
d'un condensateur, pour être pompée de nouveau dans le réser- of a capacitor, to be pumped back into the
voir dans lequel on décompose de nouveau l'eau en oxygène et see in which the water is broken down again into oxygen and
en hydrogène.in hydrogen.
Cette installation de base permet diverses This basic installation allows various
réalisations avantageuses.advantageous achievements.
Vis-à-vis des solutions connues, l'invention présente les avantages importants, suivants - La puissance fournie par la turbine à gaz peut être adaptée en pratique, complètement à la demande de With regard to known solutions, the invention has the following important advantages: The power supplied by the gas turbine can be adapted in practice, completely at the request of
puissance, souhaitée, variable dans le temps, grâce aux accu- power, desired, variable in time, thanks to the accumulated
mulateurs ou aux réservoirs d'oxygène et d'hydrogène. emulsifiers or tanks of oxygen and hydrogen.
- Les réservoirs permettent de compenser complètement les variations de courte durée ou non stationnaires du rayonnement solaire tout en ayant une capacité d'accumulation - The reservoirs make it possible to completely compensate for short-term or non-stationary variations in solar radiation while having a capacity to accumulate
restant dans des limites acceptables. remaining within acceptable limits.
- Pour une réalisation avantageuse de photo- - For an advantageous realization of photo-
piles, et en utilisant les techniques disponibles par ailleurs (séparation de l'oxygène et de l'hydrogène, réservoirs, turbine à gaz), on peut arriver à un rendement thermique pratiquement identique à celui de la conception A. - On limite à un minimum l'utilisation de matériaux très réfractaires, coûteux (chambre de combustion batteries, and using the techniques available elsewhere (separation of oxygen and hydrogen, tanks, gas turbine), we can achieve a thermal efficiency virtually identical to that of the design A. - We limit to a minimum the use of highly refractory, expensive materials (combustion chamber
et turbine de la turbine à gaz).and turbine of the gas turbine).
- Du fait de la température d'entrée élevée de la turbine, la chaleur dégagée par le circuit de la turbine à gaz est à une température qui permet d'utiliser de façon encore - Due to the high inlet temperature of the turbine, the heat generated by the gas turbine circuit is at a temperature that allows for still
efficace cette chaleur dans un circuit de vapeur. effectively this heat in a steam circuit.
La présente invention sera décrite plus en The present invention will be further described
détail à l'aide d'un exemple de réalisation représenté schémati- detail with the aid of an exemplary embodiment represented diagrammatically
quement à l'unique figure annexée qui représente une installa- only the attached figure which represents an installation
tion solaire dont la puissance est disponible de façon souple c'est-àdire dont l'énertie d'entrée est séparée ou découplée solar power whose power is available in a flexible manner that is to say whose input energy is separated or decoupled
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de l'énergie fournie.energy supplied.
Selon la figure, l'installation se compose d'un collecteur 1 constitué par des groupes de photopiles non référencés d'un réservoir 2 pour décomposer l'eau en hydrogène et en oxygène, alimentant un réservoir d'oxygène 3 et un réser- voir d'hydrogène 4. Les réservoirs d'hydrogène et d'oxygène fournissent leur gaz respectif à la chambre de combustion 5 de la turbine à gaz. La sortie de la turbine 6 proprement dite est reliée à l'échangeur de chaleur 7, au réfroidisseur d'entrée 8, au condensateur 9 et au compresseur 10; le condensat est évacué par la pompe à condensat ou pompe d'alimentation 11. Le circuit comporte également des réservoirs 12 pour le réglage du niveau de la pression ainsi qu'un compresseur 13 et les soupapes 14 et une pompe d'eau de refroidissement 15. Enfin, la turbine 6 est reliée au générateur 16. Les divers circuits According to the figure, the installation consists of a collector 1 consisting of groups of solar cells not referenced to a reservoir 2 for decomposing the water into hydrogen and oxygen, supplying an oxygen reservoir 3 and a reservoir. The hydrogen and oxygen tanks supply their respective gas to the combustion chamber 5 of the gas turbine. The outlet of the turbine 6 itself is connected to the heat exchanger 7, the inlet cooler 8, the capacitor 9 and the compressor 10; the condensate is discharged by the condensate pump or feed pump 11. The circuit also comprises reservoirs 12 for the regulation of the pressure level and a compressor 13 and the valves 14 and a cooling water pump 15 Finally, the turbine 6 is connected to the generator 16. The various circuits
sont constitués par les conduites a - m. are constituted by the pipes a - m.
De façon plus détaillée, le collecteur solaire 1 composé de photopiles réparties en groupes, fournit du courant continu sous une tension utilisable en pratique, pour décomposer de l'eau contenue dans le réservoir 2 et donner de l'hydrogène et de l'oxygène; ces deux combustibles alimentent par les conduites a, b deux réservoirs de pression 3, 4 distincts, qui servent en m9me temps d'accumulateurs. Les deux réservoirs 3, 4 fournissent l'hydrogène et l'oxygène par deux autres conduites distinctes c, d à la chambre de combustion 5 d'une installation de turbine à gaz G à circuit fermé et à combustion interne (hydrogène et oxygène); la sortie de la chambre de combustion et l'entrée de la turbine 6 sont reliées par la conduite k. Le fluide de travail de l'installation de la turbine à gaz G peut être de l'air ou le cas échéant de l'hélium. Pour cela, contrairement à des installations de turbine à gaz à circuit fermé et à chauffage extérieur par des échangeurs de chaleur, In more detail, the solar collector 1 composed of solar cells divided into groups, supplies direct current under a voltage that can be used in practice, to decompose water contained in the tank 2 and to give hydrogen and oxygen; these two fuels feed through the pipes a, b two separate pressure tanks 3, 4, which serve at the same time as accumulators. The two reservoirs 3, 4 supply hydrogen and oxygen by two other separate conduits c, d to the combustion chamber 5 of a closed-circuit and internal combustion gas turbine engine G (hydrogen and oxygen); the outlet of the combustion chamber and the inlet of the turbine 6 are connected by the pipe k. The working fluid of the installation of the gas turbine G may be air or, if appropriate, helium. For this, unlike closed circuit gas turbine and external heating installations with heat exchangers,
on peut arriver à des températures d'entrée de turbine, extrême- we can arrive at turbine inlet temperatures, extreme
ment élevées.high.
L'installation de turbine à gaz G comporte comme indiqué un compresseur 10 et une turbine 6 qui sont reliés par un arbre commun W et dans leur circuit, ces deux The gas turbine plant G comprises, as indicated, a compressor 10 and a turbine 6 which are connected by a common shaft W and in their circuit, these two
éléments comportent un échangeur de chaleur 7, intégré. elements comprise a heat exchanger 7, integrated.
Un réducteur non représenté à la figure, permet de fournir la puissance de l'installation G par l'arbre de sortie A reducer, not shown in the figure, makes it possible to supply the power of the installation G via the output shaft
W' au générateur d'électricité 16. W 'to the electricity generator 16.
Selon l'invention, la vapeur d'eau engendrée par la combustion de l'hydrogène et de l'oxygène est de nouveau extraite du circuit de la turbine à gaz après refroidissement (par le refroidisseur préalable 8) du mélange air (ou hélium) et vapeur d'eau, et passage dans le condensateur 9; cette According to the invention, the water vapor generated by the combustion of hydrogen and oxygen is again extracted from the gas turbine circuit after cooling (by the pre-cooler 8) of the air (or helium) mixture. and water vapor, and passage in the capacitor 9; this
évacuation se fait par la conduite de retour e entre le refroi- evacuation is done by the return pipe e between the cooling
disseur préalable 8 et le condensateur 9; le condensat ainsi évacué est pompé dans le réservoir 2 à travers la conduite f: prior deur 8 and the capacitor 9; the condensate thus evacuated is pumped into the tank 2 through the pipe f:
dans ce réservoir 2, l'eau est de nouveau décomposée en hydro- in this tank 2, the water is again decomposed into hydro-
gène et en oxygène. Ainsi en pratique, on conserve l'eau gene and oxygen. So in practice, we keep the water
contenue dans le circuit.contained in the circuit.
Selon la figure dans laquelle le refroidisseur préalable 8 est monté en aval de l'échangeur de chaleur 7 relié par une ligne 1, le mélange d'air (ou d'hélium) et de vapeur d'eau sort de la turbine 6 pour passer par une conduite g et entrer tout d'abord dans l'échangeur de chaleur 7; une partie de la chaleur du mélange est ainsi utilisée pour compléter le chauffage du fluide de travail, comprimé (air ou hélium) avant son entrée dans la chambrede combustion 5. Les conduites h et i du fluide de travail relient le compresseur 10 et l'échangeur de chaleur 7 et d'autre part l'échangeur de chaleur 7 et la According to the figure in which the pre-cooler 8 is mounted downstream of the heat exchanger 7 connected by a line 1, the mixture of air (or helium) and water vapor leaves the turbine 6 to pass by a line g and enter first into the heat exchanger 7; a part of the heat of the mixture is thus used to complete the heating of the working fluid, compressed (air or helium) before entering the combustion chamber 5. The pipes h and i of the working fluid connect the compressor 10 and the heat exchanger 7 and on the other hand the heat exchanger 7 and the
chambre de combustion 5.combustion chamber 5.
Suivant une autre variante non représentée à la figure, l'énergie calorifique extraite du mélange d'air (ou hélium) et de vapeur d'eau, après passage de l'échangeur de chaleur, peut 9tre utilisée dans un circuit de vapeur prévu à la suite du circuit de la turbine à gaz; dans ce cas, il est avantageux de remplacer le refroidisseur préalable par un According to another variant not shown in the figure, the heat energy extracted from the mixture of air (or helium) and water vapor, after passage of the heat exchanger, can be used in a steam circuit provided for in FIG. the continuation of the circuit of the gas turbine; in this case, it is advantageous to replace the pre-cooler with a
générateur de vapeur.steam generator.
Selon la figure, les réservoirs 12 sont inté- According to the figure, the tanks 12 are inte-
grés à la conduite de retour e entre le refroidisseur préalable 8 et le condensateur 9, pour régler le niveau de pression, et cela avec interposition du compresseur 13 et des soupapes de to the return line e between the pre-cooler 8 and the condenser 9, to adjust the pressure level, and this with the interposition of the compressor 13 and the valves of
sécurité 14.security 14.
Le fluide de travail qui circule dans un cir- The working fluid circulating in a cir-
cuit fermé de l'installation de la turbine à gaz G passe par la baked closed the installation of the gas turbine G goes through the
conduite m du condensateur 9 au compresseur 10. conduct m from capacitor 9 to compressor 10.
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| US3328957A (en) * | 1966-01-03 | 1967-07-04 | Curtiss Wright Corp | Ratio control for closed cycle propulsion systems |
| US4161657A (en) * | 1975-02-21 | 1979-07-17 | Shaffer Marlin R Jr | Hydrogen supply and utility systems and components thereof |
| DE2510226B1 (en) * | 1975-03-08 | 1976-05-26 | Eduard Gubo | Solar power station with energy storage - electrolysis sea water into hydrogen and oxygen for later combustion to drive turbine-generator set |
| US4087976A (en) * | 1976-08-13 | 1978-05-09 | Massachusetts Institute Of Technology | Electric power plant using electrolytic cell-fuel cell combination |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| GB2058935B (en) | 1983-05-05 |
| NO802672L (en) | 1981-03-12 |
| GB2058935A (en) | 1981-04-15 |
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