Prototipo de Gestion de Carga de Baterias

7/23/2019 Prototipo de Gestion de Carga de Baterias

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PROTOTIPO DE GESTION DE CARGA DE BATERIAS ABASTECIDO POR ENERGIA

SOLAR FOTOVOLTAICA.

R. Fernndez1, D. Gunther2, C. Cadena31 Facultad de Ciencias Exactas y Tecnologas, Universidad Nacional de Santiago del Estero, Av Belgrano 1912 (s)

G4200Santiago del Estero, Argentina. Tel: 54-385-4509560 Int 1800e-mail:[email protected] de Ciencias Exactas y Tecnologas, U N S E, Av 2 de Septiembre y Cap. Ardiles, La BandaG4300

Santiago del Estero, Argentina. Tel: 54-385-4372354 Int 1912e-mail:[email protected] INENCO (UNSaCONICET), Av. Bolivia 5150, A4400FVY, Salta, Argentina. e-mail:

[email protected]

RESUMEN: Se propone el diseo y la construccin de un circuito electrnico prototipo que podr proveer, con control a travs

de un microcontrolador, la carga elctrica necesaria a bateras del tipo recargables de uso comn en dispositivos porttiles de usocotidiano tales como telfonos celulares, cmaras fotogrficas, ipads, computadoras porttiles, GPS, etc. La energa es obtenida

de la radiacin solar recogida por un par de paneles fotovoltaicos y el circuito est dotado de limitadores de carga por valores

mximos y mnimos as como de los elementos de proteccin adecuados. La energa se provee en tensin de 220 V de CA y en5 V de CC. El circuito estar montado en una cabina diseada para prestar servicios como ducha con agua caliente, informacinturstica y el servicio de energa elctrica. Los resultados del trabajo fueron alentadores desde el inicio ya que las pruebas del circuito

respondieron satisfactoriamente ajustndose a las condiciones de diseo salvo pequeas dificultades planteadas, bsicamente por lavelocidad de respuesta del microprocesador comparada a la del dispositivo electromecnico (rel) y el efecto de la forma de ondaentregada por el inversor. Tomadas en cuenta estas situaciones la respuesta en funcionamiento del circuito fue la proyectada.

Palabras clave: cargador, bateras, dispositivos porttiles, energa elctrica, energa solar.

INTRODUCCION

El presente trabajo se inscribe en el marco del Proyecto ASETUR - Apoyo Tecnolgico al Sector Turismo- presentado en laconvocatoria 2011 con el ttulo Modulo sustentable de servicios energticos e informacin turstica y corresponden a unalnea de financiamiento desarrollada especialmente para dar impulso a centros tursticos regionales que requieran innovacin

tecnolgica y que hayan sido seleccionados conjuntamente por las autoridades de aplicacin de cada provincia y el rea deTurismo, en consonancia con el Plan Estratgico Sustentable 2006-2016. Son financiados aquellos proyectos que requieran demejoras tecnolgicas y signifiquen una diferenciacin y mejora en la oferta turstica existente. Los proyectos debern beneficiara la mayor cantidad de actores implicados en el centro turstico correspondiente. (COFECYT).

El proyecto se realiz a travs de un desarrollo inter-provincial donde participaron las Provincias de Santiago del Estero, Salta

y Catamarca, a travs de la Universidades y las Secretaras de Turismo respectivas. Se financi a travs de fondos del Ministeriode Ciencia, Tecnologa e Innovacin Productiva.

Figura 1: el NOA y las provincias participantes

La tecnologa en la actualidad va en constante desarrollo y por esto la utilizacin de la misma ha desarrollado un aumentoconsiderable si la comparamos con dcadas atrs. La tecnologa de las comunicaciones que incluye a la telefona mvil, internet,

redes sociales, etc. tiene un alto consumo de estos dispositivos electrnicos porttiles, en Argentina el mercado de celulares

paso de vender 13 millones de unidades en 2013 a comercializar 11,4 millones en 2014, as el mercado de celulares registrouna cada del 12%, en comparacin con el ao anterior, sin embargo los dispositivos smartphone crecieron un 31% en unidades
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pasando de 7,3 millones a 9,3 en el ltimo ao, en una plaza que cuenta con un total de 18 millones de telfonos inteligentes

en funcionamiento (Carrier y asociados, 2015).

Actualmente la mayora de los equipos electrnicos porttiles usan bateras recargables y son accesibles a gran parte de lapoblacin, las bateras tienen una carga que permiten que el equipo electrnico funcione un tiempo limitado por la capacidadde las mismas. La utilizacin de toda su energa lleva hasta su completa descarga.

Es en ese momento cuando se hace necesario proceder a la recarga de la batera y para ello es necesario una fuente de energa

elctrica que provea la energa necesaria y con las condiciones tcnicas adecuadas (nivel de tensin, capacidad de corriente ydispositivos de seguridad) para su recarga.

Para la tecnologa que hoy en da ocupa varias de nuestras actividades cotidianas, desde hablar por telfono celular, escucharmsica en un reproductor porttil, utilizar una cmara digital, trabajar con una laptop, entre muchas cosas ms; es importantetener siempre en cuenta un factor, la batera, que en la actualidad, mayormente est constituida por Iones de Litio (Li-Ion).

Figura 2. Distribucin porcentual anual de telfonos celulares por categora y mercado.

Los dispositivos electrnicos, como telfonos mviles, cmaras fotogrficas, notebooks, tablets, GPS, son cada vez msutilizados por la poblacin, y requieren ser recargados continuamente, cuanto ms tiempo se usa estos equipos ms frecuente

es su recarga, hecho que se suma al riesgo de quedarse por completo sin carga en la batera. En muchos sitios tursticos naturalescomo parques nacionales o zonas de reserva, no hay electricidad disponible, por lo que no es posible recargar las bateras de

los equipos electrnicos porttiles. Adems, la informacin sobre los distintos sitios se encuentra mayoritariamente en formatodigital, y la poblacin est acostumbrada a acceder a esta informacin va electrnica.

Por lo expuesto anteriormente se genera la necesidad de llevar el cargador de bateras con que se provee cada dispositivo mvil(en general un adaptador de 220 V CA a la tensin de bateras del dispositivo generalmente 5 V CC a travs de terminal tipo

USB) a todos lados, pero aunque se cuente con el mismo, si no se tiene acceso a una fuente de energa, no es til el cargador.

Es importante entonces, poder contar con centros donde se pueda recuperar la carga de los equipos electrnicos porttiles. Alpensar en incorporar estos centros de carga para zonas tursticas aisladas, se propuso tambin incorporar un centro deinformacin virtual con contenidos de importancia para el turista por lo que se propone incorporar una Tablet, tambinalimentada por el sistema electrnico de control de energa, con el software necesario para proveer la informacin turstica de

la zona aledaa.

Este trabajo est desarrollado con la intencin de satisfacer las necesidades de la poblacin, disminuir el consumo energticode origen tradicional (disminuyendo el uso de combustibles fsiles), dar impulso a la industria tecnolgica del pas y comomotivo principal contribuir al desarrollo de la tecnologa en la aplicacin de la energa solar.

Figura 3. Exterior de caseta con tanques de agua, calefones solares y mdulos fotovoltaicos instalados
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CIRCUITO PROTOTIPO DE GESTION DE CARGA

El uso de la energa solar es un campo importante para la investigacin ya que, a diferencia de otra fuentes de energa, la solares inagotable, es decir podemos aprovechar al mximo esta energa y canalizarla para un fin productivo y eficiente.En estos tiempos donde el suministro de energa elctrica est por entrar en un momento de escasez, es importante pensar que

para cualquier actividad que requiera alguna fuente de energa podemos considerar la energa solar para su utilizacin, como

el cargar una batera (las ms utilizadas en los dispositivos porttiles son las de Li-Ion), a partir de la energa proporcionadapor un panel solar.

Este tipo de batera, Li-Ion, es un dispositivo diseado para el almacenamiento de energa elctrica que emplea como electrolito,una sal de litio que procura los iones necesarios para la reaccin electroqumica reversible que tiene lugar entre el ctodo y elnodo.

Este trabajo estar limitado a la creacin de un modelo de cargador solar, empleando componentes de venta usual en el mercadonacional (o sea el mismo tipo de mdulos FV, acumuladores o inversores que se emplean en otro tipo de aplicaciones) que sea

capaz de entregar energa para cargar las bateras de los dispositivos mviles con una tensin de 220 V de corriente alternahaciendo uso del cargador provisto por el fabricante del dispositivo o bien a travs de un puerto USB. Esto bajo la consigna

que siempre y cuando est cargado el banco de bateras de la caseta solary sin que su uso est restringido por la hora a laque se emplee.

El dispositivo de carga suministrar un voltaje entre 4.5 voltios a 5.2 voltios en el puerto USB, el tiempo de carga estarcondicionado por el estado previo de carga de la batera en cuestin y por las caractersticas particulares de la misma, pero

adems depender de las condiciones climticas del lugar.Existen algunos cargadores de bateras comerciales que detectan el momento de carga mxima, pues en ese punto se observa

un pico en el voltaje (aumenta hasta un mximo y luego disminuye) interrumpiendo en ese momento el proceso de carga de labatera. Tambin algunos dispositivos inteligentes necesariamente deben ser abastecidos por su propio cargador ya que detectan

el cargador provisto por el fabricante y en caso de no ser el adecuado no reciben la energa.El prototipo diseado ser parte de un sistema fotovoltaico aislado que consta de dos mdulos fotovoltaicos Solartec, de silicio

policristalino de alto rendimiento de 65Wp, con eficiencia de conversin superior al 14%, montados en una estructura soportemetlica modelo EP1 especialmente diseas para fijar la orientacin y la inclinacin de los mdulos fotovoltaicos, fabricadosen acero galvanizado, conectados a un regulador de carga marca Solartec con tensin de trabajo 12/24 V y corriente de carga5 A; con proteccin contra cortocircuito a travs de fusible, proteccin por sobre voltaje, proteccin por sobre corriente de

consumo, compensacin por temperatura, alarma sonora y proteccin grado IP22, que controla la carga de la batera del sistemaapta para equipos solares de 12 V con capacidad C100 de 110 A, ajustada a normas IRAM AITA 13A1, con placas de aleacinplomo selenio (Pb-Se) y monoblock de polipropileno termo sellado, de bajo mantenimiento. Tambin est conectado alregulador el inversor marca ZURICH modelo RCOM30400, con capacidad de 400 W mximo y 300 W continuos e interruptor

de encendido y luz testigo, posee refrigeracin forzada y bornera de conexin para 12 V que provienen del regulador de carga

y adems el circuito de control diseado. Este ltimo controla las cargas de 5 V de CC a travs de un conector USB, las cargasde 220 V de CA a travs de un toma corriente de uso en instalaciones elctricas domiciliarias y el dispositivo de informacinturstica (Tablet) que recibe tensin de 5 V de CC. La figura 4 muestra el esquema elctrico de este sistema fotovoltaico aislado.

Cabe destacar que el circuito de gestin de carga es aplicable a cualquier sistema siempre que se adecuen los lmites mximosy mnimos que el sistema generador fotovoltaico pude enviar a los dispositivos conectados a l para ser abastecidos de energa.

Figura 4. Esquema elctrico del sistema fotovoltaico.


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SISTEMAS DE USO CONVENCIONAL

Existen dos tipos principales de cargadores utilizados actualmente. Uno de ellos, est diseado para proveer un voltaje constantea la batera, mientras que el otro suministra pulsos de voltaje (en modelos avanzado, de frecuencia variable). De esta manerase logra aumentar la vida til de una batera y mejorar el proceso de carga en general.

Las condiciones principales que un cargador debe constatar para su correcto funcionamiento son las de:1.- El cargador suministrara a la batera el voltaje necesario para cargarla al 100%

2.- Cuando la batera se encuentre recargada completamente, la corriente que fluya del cargador hacia la batera ser mnima.

En el caso de este diseo, el circuito de gestin de carga es independiente de las caractersticas del generador fotovoltaico, solo

acta como controlador de la cantidad de carga elctrica entregada al dispositivo conectado a l. Para ello identifica a travs desensores de corriente los consumos mximos y mnimos, en cada una de los posibles modos de conexin que dispone, de los

dispositivos porttiles a cargar y compara esos valores con los registrados previamente durante su calibracin como lmitesmximos y mnimos y acta en consecuencia respondiendo con la lgica establecida en el programa que reside en la memoria

del microcontrolador. El esquema de la Figura 5 muestra este funcionamiento.

CONDICIONES DE DISEO

Basado en las condiciones principales de un cargador se procedi a disear el circuito prototipo atendiendo a las premisaspreviamente establecidas como:

1.- No es posible aportar niveles de energa ilimitados, esta caracterstica obliga a detectar el mximo posible de corrientedemandada y limitar el uso del cargador por el circuito de control.

2.- La capacidad energtica del sistema fotovoltaico en general (mdulos, regulador de carga, batera, inversor), debe serconsiderada en el diseo del sistema independiente del funcionamiento del circuito de control, solo debe considerarse su

consumo propio (en reposo) como carga del sistema.3.- Es necesario informar la finalizacin de la carga a los efectos de limitar el tiempo de uso. Esta caracterstica obliga a detectaruna mnima corriente de carga y proceder al apagado del sistema.4.- Es necesario, como parte de las premisas del diseo general, proveer informacin turstica a travs de un dispositivo

electrnico Tablet, esta caracterstica hace necesario controlar el estado de carga de la batera del dispositivo Tablet recargandola misma hasta un nivel inferior al mximo a los efectos de dar mayor duracin de vida a su batera.5.- Por ser un servicio pblico y al alcance de cualquier persona debe tener las protecciones necesarias que lo habiliten comoun servicio seguro (puesta a tierra, proteccin diferencial, etc).

6.- La recarga de bateras es posible realizarse a travs de un puerto USB, que por norma provee 5 V de corriente continua, o a

travs del cargador provisto por el fabricante del dispositivo, que por norma en el pas funciona con 220 V de corrientealternada. Esta caracterstica obliga a proveer la energa a travs de los dos sistemas y en ambos casos, prever las limitacionesde mxima y mnima corriente.

Para la realizacin del circuito prototipo con las mencionadas caractersticas se utiliz un microprocesador PIC16F874. Elmismo cuenta con un conversor analgico digital de 10 bit, 3 Timers y 8 entradas analgicas con las que es posible detectar lascondiciones de mxima y mnima corriente de carga de los dispositivos conectados segn la modalidad de carga empleada, 220V CA 5 V CC y adems una condicin de mxima carga de la batera de la unidad de informacin propia de la caseta solar

(Tablet). Este microprocesador tiene una capacidad de procesamiento que excede las necesidades del proyecto pero por falta

de disponibilidad en el mercado local de otros procesadores ms adecuados su utilizacin se hace necesaria.

El proceso se inicia con la decisin de proceder a la recarga de bateras conectadas a algunos de sus conectores, con el pulsado

del botn de inicio, generando que la entrada MCLR sea igual a cero (MCLR=0). Para los sistemas de carga con alimentacin

de 220 V CA y 5 V CC, se sensa la corriente de consumo de la carga correspondiente, previa aislacin galvnica mediantetransformador de medicin en el primer caso, a travs de las entradas RA0 y RA3 (ver Figura 5). El rel RL1 habilita lacirculacin de la corriente de consumo de la carga conectada al toma corriente de 220V que proviene del inversor (ver Figura

5) y el rel RL2 habilita la corriente de consumo de 5V CC unida al conector USB que provee 5 V de corriente continua al

dispositivo conectado en l y que controla en ambos casos el circuito gestor de carga. Ambas corrientes son sensadas medianteel uso de resistencias shunt, identificadas en el circuito de la figura 8 como R10 y R9 respectivamente, resultando en cada casouna tensin en voltios proporcional a la cantidad de amperes consumidos por cada una de las cargas conectadas a su

correspondiente conector.

El funcionamiento del circuito responde a la siguiente lgica, ver figura 5, la tensin del sensor de carga de 220 V representadapor la entrada RA0 es comparada con la proveniente del potencimetro de ajuste, entrada RA1, como lmite superior y la

proveniente del potencimetro de calibracin, entrada RA2, como lmite inferior cada 50 mS, resultando segn el programapreestablecido en el microprocesador la desconexin inmediata si se supera el lmite mximo y luego de 30 segundos si semantiene por debajo del lmite mnimo.

Esta ltima maniobra pretende eliminar el apagado errneo por alguna baja en el consumo que no est relacionada con el estadode carga de la batera. La atencin de la carga de dispositivos conectados a 220 V CA es realizada por el rel RL1 activado porla entrada RB2.


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Figura 5. Esquema general de funcionamiento del circuito gestor de carga elctrica.

Por su parte en caso de utilizar la conexin a travs del conector USB provisto de 5 VCC para la atencin de los dispositivos

conectados a l, ver figura 5, la tensin del sensor de carga 5V, entrada RA3, que sigue una operatoria similar a la anterior, escomparada con la proveniente del potencimetro de ajuste precalibrado, entrada RA5, como lmite superior y la proveniente

del potencimetro de ajuste precalibrado, entrada RE0, como lmite inferior cada 50 mS, resultando en este caso la desconexininmediata del rel RL2 que habilita la circulacin de la mencionada corriente, si se supera el lmite mximo y luego de 30

segundos si se mantiene por debajo del lmite mnimo el consumo de la carga conectada en el terminal USB.

Esta ltima maniobra pretende como en el caso anterior eliminar el apagado errneo por alguna baja en el consumo que no estrelacionada con el estado de carga de la batera. La atencin de la carga de 5 V CC es realizada por el rel RL2 activado por la

salida RB1.

La recarga de la batera del dispositivo de informacin turstica (Tablet) inicia con el encendido del sistema fotovoltaico aislado.Ver figura 5. Comienza inicializando en valor alto la salida RB3 (RB3=1), activando con ello el rel RL3 que energiza la

Tablet desde una fuente regulada de 5 V de CC.

Luego a travs del programa se hace la lectura de las variables que representan los valores de tensin ledos por el sensor cargaTablet (de consumo), entrada RE1 y por el potencimetro de ajuste precalibrado de lmite inferior, entrada RE2, para

seguidamente comparar el valor de RE1 proporcional a la corriente de carga de la batera con RE2 valor preestablecido,proporcional al lmite mximo de carga.

Si el valor ledo por la entrada RE1 es menor que el correspondiente para RE2, cambia el valor de la salida RB3 a cero (RB3=0)

accin con la que desconecta el rel RL3 suspendiendo la carga de la batera del dispositivo Tablet, luego espera 30 minutos yrepite el ciclo y si por el contrario es mayor repite el ciclo sin retardo, con lo que continua excitado el rel RL3 cargando labatera hasta que el sistema detecte que RE1 es menor que RE2 actuando en este caso como se explic ms arriba.

El diagrama de la figura 6 muestra el resumen de la lgica seguida para cada una de las posibilidades de recarga de bateras delcircuito prototipo gestor de carga.Se prob el diseo del sistema en funcionamiento, aun cuando no tena el armado definitivo, con cargadores de telfonoscelulares del modelo Samsung Galaxy Core, Notebook Lenovo Flex 2 (14D) y lmparas elctricas incandescentes y de bajo

consumo y calibrado segn la demanda energtica de estos consumos.

Una vez ensambladas las partes constitutivas del circuito y ajustados los correspondientes valores lmites para cada una de losmodos de uso fue ensayado nuevamente con las mismas cargas, respondiendo satisfactoriamente. El armado final se muestra

en la figura 7.


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Figura 6. Diagrama de flujo para la carga de energa elctrica.

Figura 7. Diseo definitivo del circuito de gestin de carga de bateras.


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Para la realizacin del cdigo fuente del microcontrolador se utiliz lenguaje C y adems el software Proteus para disear el

circuito electrnico y poder simular todas las pruebas necesarias previo a ser construido el circuito fsicamente .

Figura 8. Circuito de sensado y control a travs del microprocesador PIC16F874.


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CONCLUSIONES.

El circuito prototipo fue implementado con componentes adquiridos en plaza local y probado su funcionamiento en condiciones de trabajoen dependencias del Laboratorio de Electrnica en el predio que posee la Facultad de Ciencias Exactas y Tecnologas en el ParqueIndustrial situado en la Ciudad de La Banda, Provincia de Santiago del Estero.

Su funcionamiento, en las primeras pruebas, respondi con algunos diferencias respecto de lo programado como por ejemplo que: al

realizar las lecturas, luego de energizados los rels, de sensado de las variables de consumo y de los lmites establecidos como mximos y

mnimos en los distintos casos, los resultados mostraban una variacin que no se justificaba por el funcionamiento de las cargas. El errorse deba al retardo originado por el tiempo de vuelo de los rels, razn por la cual se debi agregar un retardo en cada caso de 50 mS con

lo que se solucion el inconveniente. De manera similar se produjeron diferencias en la calibracin de los sensores cuando se aliment elcircuito con el inversor cuya salida es de onda senoidal modificada. Otras modificaciones al circuito responden al agregado de capacitores

limitadores de ruido y diodos zenner de proteccin de las entradas del microprocesador.Corregidos estos errores el circuito funcion respondiendo plenamente a las consignas establecidas para su diseo. Al da de la fecha se

encuentra instalado para su prueba en el prototipo instalado en el campus del INENCO en el departamento de Fsica de la UniversidadNacional de Salta.

REFERENCIAS

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instalaciones fotovoltaicas aisladas de baja potencia. ASADES XXXVII Reunin de Trabajo de Energas Renovables y

Medio Ambiente. 2014.

Franco, J, Cadena, C, Raposo, M. Casetas Solares para Servicios Tursticos Sustentables. Avances del Proyecto Asetur.2013. ASADES, XXXVI Reunin de Trabajo de la Asociacin Argentina de Energas Renovables y Medio Ambiente.

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Icharge Eco.http://www.links.co.jp/html/promotion/icharge-ecodx.html.Accedida el 04/04/2015.http://www.periodismo.com/2015/03/30/radiografia-de la-telefona-celular-en-la-argentina. Accedido el 04/04/2015.http://www.cofecyt.mincyt.gov.ar/Asetur.htm

Pozos Barcelata, Olivia. Diseo e implementacin de un cargador solar porttil. Universidad de las Amricas Puebla.Mxico. 2010.

Saucedo Garca, J. A. (2009). Diseo De Un Cargador De Batera Li-Ion Para Obtener La Mxima Potencia De Un PanelSolar.https://www.academia.edu/5997900/diseo_de_un_cargador_de_bateria_li_ion_para_obtener_la_maxima_potencia_de_un_p

anel_solar

Camacho, Ruis, Hernndez, Diseo e Implementacin de Un cargador solar para equipos de telefona mvil para la compaainversiones Lucas Tovar CA. http://www.miunespace.une.edu.ve/jspui/handle/123456789/1847 , 2012

Data Sheet de Microchip Technology Inc. Microprocesador PIC16F87X. 2013.

ABSTRACT: The design and construction of a prototype electronic circuit is proposed, which will be able to provide, through

a microcontroller, the electric charge required to rechargeable batteries commonly used in laptops and other everyday devicessuch as cell phones, cameras, ipads, and laptops. The energy is obtained from solar radiation collected by a pair of photovoltaic

panels and the circuit is provided with presets to manually establish the maximum and minimum values, and protectionelements. The circuit is powered with 220V AC and 5V DC, and will be mounted in a cabinet designed to serve as a hot shower,

tourist information service, and electrical energy supply. The results were encouraging from the beginning because the circuitresponded satisfactorily to the conditions imposed, with the exception of minor design challenges posed basically by the

response speed of the microprocessor compared to the electromechanical device (relay) and the effect of the waveform suppliedby the inverter. Considering these issues the circuit responded the way it was projected.

Keywords: charger, battery, portable devices, power energy, solar energy
http://www.links.co.jp/html/promotion/icharge-ecodx.htmlhttp://www.links.co.jp/html/promotion/icharge-ecodx.htmlhttp://www.links.co.jp/html/promotion/icharge-ecodx.htmlhttp://www.cofecyt.mincyt.gov.ar/Asetur.htmhttp://www.cofecyt.mincyt.gov.ar/Asetur.htmhttp://www.links.co.jp/html/promotion/icharge-ecodx.html

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