energia solar fotovoltaica: uma revisÃo …a revisão sistemática é uma revisão estruturada com...
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1 Mestrando em engenharia de produção pela Universidade Metodista de Piracicaba –UNIMEP,
Santa Barbara d’ Oeste-SP. Email: [email protected]
ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA: UMA REVISÃO SISTEMÁTICA SOB A PERSPECTIVA DA SUSTENTABILIDADE
PHOTOVOLTAIC SOLAR ENERGY: A SYSTEMATIC REVIEW UNDER THE
SUSTAINABILITY PERSPECTIVE
Wilson de Paula Teixeira¹ Resumo: Com a intensificação do desenvolvimento, o crescimento populacional e as preocupações mundiais, o aquecimento global e as mudanças climáticas, a busca pela sustentabilidade do planeta tornou-se a principal alternativa para mitigar os impactos gerados ao meio ambiente ao longo do desenvolvimento da humanidade. A energia solar é a mais abundante do mundo; o Brasil possui um grande potencial de desenvolvimento devido sua localização espacial, onde a maior parte do país constitui-se próximo a linha do equador o qual possui maior incidência de radiação solar. Diversos benefícios são apresentados neste artigo que são associados à utilização da energia solar fotovoltaica. A revisão sistemática foi realizada no banco de dados Science Direct, entre os anos de 2017 a 2019. Dentre os resultados obtidos, verificou-se que o campo da energia solar fotovoltaica é propenso de estudos, e que há uma ascendência de pesquisas voltadas para o tema, demostrando que existe interesse por parte dos pesquisadores em aprofundar suas questões de pesquisa nessa área. A ampliação do uso de sistemas fotovoltaicos dependerá fortemente de pesquisas para redução de custos, e incentivos, leis e regulamentos que visam ampliar o uso de fontes de energias renováveis corroborando para mitigação de impactos ambientais. Palavras-chave: Energia renovável, Painel solar, Módulo Fotovoltaico. Abstract: With intensified development, population growth and world concerns, global warming and climate change, the pursuit of the planet's sustainability has become the main alternative to mitigate the impacts on the environment throughout the development of humanity. Solar energy is the most abundant in the world; Brazil has a great potential for development due to its spatial location, where most of the country is close to the equator which has the highest incidence of solar radiation. Several benefits are presented in this article that are associated with the use of photovoltaic solar energy. The systematic review was performed in the Science Direct database, from 2017 to 2019. Among the results obtained, it was found that the field of photovoltaic solar energy is prone to studies, and that there is an ancestry of research focused on the showing that there is interest on the part of researchers to deepen their research questions in this area. Increasing the use of photovoltaic systems will depend heavily on cost reduction research, and incentives, laws and regulations aimed at increasing the use of renewable energy sources to corroborate environmental impacts. Keywords: Renewable energy, Solar panel, Photovoltaic module.
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INTRODUÇÃO
Energia e água são vias para a vida moderna e proporcionam sustentação necessária
para o desenvolvimento econômico (FOSTER et al., 2009; ROMEIRO, 2012). A
Globalização torna-se cada vez mais dependente dos recursos naturais para uma
infinidade de atividades.
A energia, nos seus mais variados aspectos, é indispensável à sobrevivência e
manutenção da vida humana. Em relação aos diversos tipos de energia, a eletricidade
se tornou uma das formas mais versáteis e importantes, passando a ser recurso
indispensável para o desenvolvimento socioeconômico de muitas nações (ANEEL,
2005, IEA, 2019).
O modelo brasileiro está voltado para a geração de energia centralizada, onde grandes
usinas elétricas produzem energia, com predominância de usinas hidrelétricas
respondendo por 65% da energia gerada no Brasil (CASARO e MARTINS, 2010);
sendo esta energia transportada em longas linhas de transmissão e distribuída aos
centros de consumo, e apesar de existir interligação da rede em todos os Estados, não
abrange todas as regiões e localidades do país (SHAYANI et al., 2006).
A Figura 1 mostra a destruição da matriz energética brasileira, sendo 61,95% hídrica,
26,92% termoelétrica, 6,86% eólica, 1,31% nuclear e 0,02% fotovoltaica.
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Figura 1: Matriz Energética Brasileira
Fonte: Agência Nacional de Energia Elétrica (2018).
O alto investimento envolvendo construções de linhas de transmissão e o baixo retorno
restringem o acesso de áreas remotas ao fornecimento de energia elétrica (SEBRAE,
2018).
O sol pode ser considerado uma fonte inesgotável de energia, fornecendo para o
Planeta Terra em uma hora (4.3 x 1020 J), uma quantidade de energia maior do que
consumimos em um ano inteiro (4.1 x 1020 J) (FOSTER; GHASSEMI; COTA, 2009;
MACHADO; MIRANDA, 2014). O Brasil exibe um alto índice médio anual de radiação
solar em torno de 6 a 24MJ/m2.dia (Mega joule de energia por metro quadrado por dia)
em algumas regiões e possui insolação média anual diária de 3 a 10 horas (SILVA,
2015; CRESESB, 2018).
Atualmente, com as aplicações tecnológicas disponíveis, a geração de energia elétrica
a partir da radiação solar pode ser obtida pelo efeito fotovoltaico (FV) ou pela geração
de energia heliotérmica (ESPOSITO e FUCHS, 2013).
Apesar do alto potencial dessa fonte de energia, a geração de energia por células
solares ainda é muito baixa, representando menos de 1% do total de energia produzida
no país. Esforços devem ser concentrados em pesquisas de geração e distribuição de
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energias limpas, focando no desenvolvimento sustentável do planeta e na mitigação de
impactos ambientais, reduzindo o uso de combustíveis fósseis e melhorando a
qualidade de vida.
1. REVISÃO DA LITERATURA
1.1 Energia
A energia é uma grandeza escalar, e está associada à capacidade que um corpo tem
de realizar trabalho. Existem diversas formas de geração e uso da energia: cinética,
potencial gravitacional, térmica, elástica, mecânica e afim; e normalmente está
associada à interpretação de movimentos, quanto maior a quantidade de movimento
maior a quantidade de energia associado a ele (CIAMPONI, 2015).
A energia nem sempre pode ser utilizada diretamente em sua forma primaria de seu
objetivo final, havendo então a necessidade de conversão, em que as principais formas
básicas de conversão de energia são: térmica por radiação, química, nuclear, térmica
pela energia interna, mecânica e elétrica (MMA, 2019).
Nesses processos ocorrem algumas perdas associadas à dissipação por calor, atrito,
efeitos sonoros e afins. As conversões de energias obedecem a duas leis fundamentais
da física: a lei da conservação de energia, ou primeira lei da termodinâmica; e
dissipação de energia ou segunda lei da termodinâmica (EINSTEIN, 1936).
A energia elétrica pode ser obtida por diferentes meios, sendo os principais um dos
processos de conversão por meio da energia térmica (por radiação), utilizando placas
de captação de energia solar (fotovoltaicas), pela transformação da energia mecânica,
podendo ser utilizado turbinas a vapor, hidráulicas e eólicas e também pelas reações
químicas (MMA, 2019).
1.2 Energia Solar
A energia solar provém da irradiação solar, sendo utilizada por diferentes meios de
tecnologia que encontram-se em constante evolução, como exemplos, o aquecimento
solar, a energia solar fotovoltaica, a energia heliotérmica, a arquitetura solar e a
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fotossíntese artificial. Existem duas formas principais para se transformar energia solar
em energia elétrica a energia fotovoltaica e a energia térmica (PINTO et al., 2015).
O fluxo de energia solar varia com a latitude, a radiação solar aumenta à medida que
isso acontece, a latitude, dependendo do ângulo de incidência da luz solar, tempo e
hora do dia e estação do ano (LECHUGA, 2011; WASFI, 2011).
A energia solar térmica ou fototérmica é aquela que em que um corpo tem a
capacidade de absorver e armazenar em si mesmo energia em forma de calor; isso é
possível por meio de coletores que captam energia solar e a utilizam para aquecimento
de fluidos (CIAMPONI, 2015).
Na energia fotovoltaica a conversão de energia solar em elétrica é feita por meio da
radiação incidente solar sobre determinados materiais, em especial aos
semicondutores, como o silício que possui característica de gerar diferencial de
potencial (ddp) entre suas extremidades, devidos aos efeitos termoelétricos; e o efeito
fotovoltaico no qual os fótons existentes na luz solar são convertidos em energia
elétrica em células solares (CIAMPONI, 2015). Para se ter um uso eficiente desse
sistema é necessário um conjunto de placas solares, baterias e, se este não for
interligado a rede de energia (off-grid), um inversor de frequência e sistema de proteção
contra curto-circuito (MME, 2008).
2. MATERIAL E MÉTODO
A revisão sistemática é uma revisão estruturada com o intuito de responder a uma
pergunta específica e que utiliza métodos determinados e sistemáticos para identificar,
selecionar e avaliar criticamente os estudos, e para coletar e analisar os dados destes
estudos incluídos na revisão (DONATO e DONATO, 2019).
A primeira fase para uma revisão sistemática é delimitar o foco do estudo, para se que
realize uma busca criteriosa na literatura sobre os estudos relacionados em questão,
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para os quais será realizada a sistematização das informações que subsidiam a
resposta ao problema da pesquisa (RAMOS et al., 2017).
O tema de interesse da presente revisão sistemática trata dos benefícios do uso da
energia solar fotovoltaica. A questão na qual essa revisão se centraliza é: Como os
benefícios energia solar fotovoltaica são abordados na literatura científica?
A base de dados de busca utilizou-se o portal Science Direct –. O banco de dados
Science Direct possui características bem específicas que foram relevantes para sua
seleção. Possuindo mais de 250.000 artigos de acesso livre de mais de 2.960 Jornais
Internacionais; 48.300 Livros.
A busca no banco de dados abrangeu os anos de 2017 a 2019. Como palavra-chave
utilizou-se os termos “benefícios”, “energia solar fotovoltaica” “fotovoltaico” no idioma
inglês. A busca realizada com tal palavra-chave ocorreu em: títulos, resumo (abstract),
palavra-chave (keywords).
O objetivo desta da etapa de analise de revisão é conseguir cerca de 20 a 50 artigos
que serão utilizados para a elaboração da revisão sistemática. Para seleção dos
artigos, realizou-se a leitura do título e do abstract, após foram selecionados 24 artigos
que mais se assemelhavam ao tema que se propunha estudar.
Os 24 artigos selecionados foram estudados em profundidade. Como critérios
analisados têm-se: Objetivo da pesquisa; tipo de pesquisa (empírica ou teórica);
método de pesquisa (qualitativo quantitativo); contexto da pesquisa (estudo de caso,
revisão de literatura).
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Figura 2: Palavras-chave de estudos selecionados
Fonte: Autor (2019)
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Foram pré-selecionados 24 trabalhos após a aplicação dos critérios de avaliação. De
todos os autores, somente 10 comentam sobre os benefícios do uso da energia solar
fotovoltaica em seus textos (ZHANG et al., 2019; NWOKOCHA et al.,2018;
HERNÁNDEZ-CALLEJOA et al., 2019; LI e SUN, 2019; CHO, et al., 2017; LI et al.,
2019; NETO e ROSSI, 2019; GUO et al., 2019; KHODAYAR et al., 2019; LIU et al.,
2019).
Tabela 1: Estudos pré-selecionados e critérios de pré-avaliação
Referência Ano Tipo Idioma Pré-avaliação
Zhang et al., 2017 Artigo Inglês Alta
Nwokocha, et al., 2018 Artigo Inglês Alta
Sinke e Wim 2019 Artigo Inglês Baixa
Assane et al., 2019 Artigo Inglês Baixa
Hernández-Callejoa et al., 2019 Artigo Inglês Média
Seme et al., 2019 Artigo Inglês Baixa
Li e Sun 2019 Artigo Inglês Alta
Yong-cheol et al., 2017 Artigo Inglês Alta
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Referência Ano Tipo Idioma Pré-avaliação
Shan et al., 2019 Artigo Inglês Baixa
Li, et al., 2019b Artigo Inglês Alta
Neto et al., 2019 Artigo Inglês Alta
Mathews et al., 2019 Artigo Inglês Baixa
Guo et al., 2019 Artigo Inglês Alta
Khodayar, et al., 2019 Artigo Inglês Alta
Deng et al., 2019 Artigo Inglês Baixa
Garlet et al., 2019 Artigo Inglês Baixa
Liu et al., 2019 Artigo Inglês Alta
Coria et al., 2019 Artigo Inglês Baixa
Lerides et al., 2019 Artigo Inglês Baixa
Xie et al., 2019 Artigo Inglês Baixa
Tatsi et al., 2019 Artigo Inglês Baixa
Duwairi et al., 2019 Artigo Inglês Baixa
Dubey et al., 2019 Artigo Inglês Baixa
Jia et al., 2019 Artigo Inglês Baixa
Salani et al., 2019 Artigo Inglês Baixa
Fonte: Autor (2019)
Três autores fazem um panorama sobre o papel da energia solar fotovoltaica no
contexto atual e futuro nos sistemas de geração de energia elétrica (ASSANÉ et al.,
2019; HERNÁNDEZ-CALLEJOA et al., 2019; SINKE e WIM, 2019).
Dois trabalhos avaliam os efeitos inter-relacionados de fatores climáticos e
socioeconômicos nas operações do sistema de energia a fim de manter um equilíbrio
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entre a carga e a oferta de energia solar fotovoltaica ligada à rede de transmissão
(ASSANÉ et al., 2019; KHODAYAR, et al., 2019).
Dois autores analisam os efeitos de sombreamento dos edifícios gerados pelos
módulos fotovoltaicos (ZHANG et al., 2017; LI, et al., 2019). Para Zhang et (2017) as
coberturas fotovoltaicas solares podem efetivamente reduzir o ganho de calor solar
através das janelas, mas podem ter um impacto negativo no desempenho da luz do dia
em ambientes fechados. Já Li et al., (2019) utiliza para analise um modelo de simulação
numérica para investigar o potencial de economia de energia dos sombreamentos
fotovoltaicos solares com vários ângulos e orientações de inclinação.
Nwokocha et al., (2018) descreve que as principais barreiras enfrentadas para
implementação efetiva dos sistemas fotovoltaicos na Nigéria está a lacuna de
conscientização e informação e de uma politica nacional. Nesta mesma linha de
pensamento Garlet et al., (2019) e Coria et al., (2019) descrevem as principais barreiras
identificadas estão a baixa qualidade dos sistemas fotovoltaicos, o alto custo do
investimento inicial, a dependência de financiamento para compra de painéis solares,
cultura de consumo, falta de conhecimento sobre tecnologia fotovoltaica, serviços
ineficientes de pós-venda, dependência de importações de painéis solares da China e
falta de políticas para incentivar a geração fotovoltaica.
Seme et al., (2019) expõe como consequência da diversidade climática e geográfica da
Eslovênia, a relação a relação entre a energia produzida e a potência máxima de pico
de um sistema fotovoltaico esta condicionada as variações de condições do clima nas
estações do ano.
Dois autores fazem uma investigação sistemas fotovoltaicos flutuantes e sistema de
aquecimento por bomba de calor assistida por energia solar fotovoltaica. Li e Sun
(2019) avalia o desempenho energético e socioeconômico de um novo sistema de
aquecimento de água de tubo de calor fotovoltaico, que envolveu a otimização de
parâmetros estruturais chave, análises de estratégia de operação, conservação de
energia e análise de benefícios ambientais. Liu et al., (2019) avalia que em comparação
com os sistemas fotovoltaicos flutuantes individuais, outra vantagem dos sistemas
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fotovoltaicos flutuantes é a conectividade à rede e armazenamento de energia, podem
ser obtidas de forma colaborativa com os sistemas de energia de armazenamento.
Dois trabalhos explanam sobre as micro fotovoltaica (MPV) caracterizando ser esta uma
boa alternativa para reduzir as emissões de gases de efeito estufa (GEE) nas áreas
residenciais. (YONG-CHEOL et al., 2019; GUO et al., 2019).
Shan et al., (2019) estabelece um modelo de jogo evolutivo tripartido para simular e
analisar as estratégias de comportamento de empreendimentos fotovoltaicos na China,
considerando famílias pobres, governo e os fatores de influência relevantes. Além
disso, o modelo do jogo é verificado por análise empírica. Os resultados demonstram
que: (i) existem quatro estratégias evolutivas estáveis para o projeto fotovoltaico, entre
as quais a iniciativa de apoio às empresas fotovoltaicas, a participação de famílias
pobres e a menor supervisão do governo é uma escolha mais apropriada. (ii) existe um
efeito de limiar nos parâmetros relevantes, o que pode alterar as estratégias evolutivas
estáveis das empresas PV ou dos agregados familiares pobres. (iii) a disposição inicial
das empresas fotovoltaicas, das famílias pobres e do governo afeta a velocidade de
convergência da estratégia evolucionária estável. (iv) aumentar os subsídios baseados
no desempenho apropriadamente e aperfeiçoar o mecanismo de distribuição de renda
pode garantir o desenvolvimento sustentável de projetos fotovoltaicos.
No contexto do fornecimento de energia elétrica em comunidades indígenas no Brasil,
Neto et al., (2019) apresenta que além de ser o recurso mais adequado para o
abastecimento energético sustentável, está em sintonia com os aspectos sociais e
culturais, sendo uma alternativa desejada pela comunidade. O principal objetivo do
trabalho foi avaliar as contribuições que a energia fotovoltaica trouxe para as ações
educativas na aldeia. A chegada da eletricidade teve um impacto positivo geral,
permitindo que os povos indígenas associassem atividades escolares à pesca e à
agricultura, conservassem alimentos e tivessem recursos audiovisuais disponíveis para
a sala de aula e para a comunidade.
Cinco autores investigam e desenvolvem tecnologias de matérias e melhorias de
sistemas fotovoltaicos como aplicação de sistemas híbridos fotovoltaicos e coletores
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térmicos (TATSI et al., 2019; MATHEWS et al., 2019; DUBEY et al., 2019; JIA et al.,
2019; SALANI et al., 2019). E Duwairi et al., (2019) analisa a necessidade de
resfriamento dos painéis solares fotovoltaicos para melhoria de desempenho e
desenvolve a tecnologia de superfícies corrugadas para reduzir a temperatura dos
módulos fotovoltaicos, o que leva a um aumento potência e eficiência.
Deng et al., (2019) faz uma repercussão sobre a necessidade de desenvolver
tecnologias de reciclagem de fim de vida comercialmente viáveis de painéis
fotovoltaicos para garantir um futuro sustentável e expõe fatores limitantes atuais.
A partir dos estudos selecionados é possível fazer uma descrição dos benefícios da
utilização da energia solar fotovoltaica.
3.1 Vantagens
A energia solar é a forma de energia mais abundante do mundo, o Brasil possui um
grande potencial de desenvolvimento dessa energia, devido sua localização espacial,
onde a maior parte do país constitui-se próximo a linha do equador (SILVA, 2015).
A energia solar não causa nenhuma poluição durante seu uso, como sonora por
movimentação de partes, ou emissões de gases do efeito estufa, tais como CO2 por
queima de combustíveis fósseis (ZEMAN, 2010; WORLD ENERGY COUNCIL, 2016;
ROSA e GASPARIN, 2016; YONG-CHEOL et al., 2019; GUO et al., 2019).
As centrais fotovoltaicas necessitam de manutenção mínima, com uma vida útil em
torno de 25 anos (LECHUGA, 2011; SHAN et al., 2019).
Os painéis solares estão em constante aprimoramento, tornando-se mais potentes ao
mesmo tempo em que seu custo vem decaindo. Isso torna cada vez mais a energia
solar uma solução economicamente viável (SANTOS e FRANCISCO, 2012; TATSI et
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al., 2019; MATHEWS et al., 2019; DUBEY et al., 2019; JIA et al., 2019; SALANI et al.,
2019).
A energia solar é excelente em lugares remotos ou de difícil acesso, pois sua instalação
em pequena escala não obriga a enormes investimentos em linhas de transmissão
(AKARSLAN, 2012).
Em países tropicais, como o Brasil, a utilização da energia solar é viável em
praticamente todo o território, e, em locais longe dos centros de produção energética
sua utilização ajuda a diminuir a procura energética nestes e consequentemente a
perda de energia que ocorreria na transmissão (ALENCAR e TAVARES, 2017; SEME et
al., 2019).
Este tipo de energia aumenta a segurança energética e reduzir o consumo de
combustíveis de fontes convencionais em longo prazo (VIANA et al., 2015).
A utilização de fontes de energia solar fotovoltaica também tem algumas desvantagens
e inconvenientes, parte dos quais são intrínsecos e parte dos quais são devidos ao
status do desenvolvimento tecnológico.
3.2 Desvantagens
Embora a energia proveniente de fontes renováveis esteja mais frequentemente
disponível gratuitamente, tecnologias de conversão de energias renováveis muitas
vezes são de: custos elevados comparados com demais fontes de energias
(TURKENBURG, 2011; CORIA et al., 2019).
Existe variação nas quantidades de energias produzidas conforme a situação
climatérica (chuvas, neve), também durante a noite não existe produção alguma, sendo
necessário meio para o armazenamento da energia produzida durante o dia em locais
onde os painéis solares não estejam ligados à rede de transmissão de energia,
ocorrendo também variações diárias de produção de acordo com o grau de
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nebulosidade (OLLHOFF, 2010; RASHAD, 2014; SOUSA e FIRMINO, 2015; SEME et
al., 2019).
As possibilidades de armazenamento da energia solar são pouco eficientes quando
comparadas, por exemplo, aos combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás), e a
energia hidroelétrica (água) (SANTOS et al., 2010; CORIA et al., 2019).
Os painéis solares têm um rendimento baixo chegado apenas em 25%, mesmo com os
avanços tecnológicos existentes (SANTOS et al., 2010; TATSI et al., 2019; MATHEWS
et al., 2019; DUBEY et al., 2019; JIA et al., 2019; SALANI et al., 2019).
CONCLUSÃO
Foi realizado uma revisão sistemática da literatura de 24 artigos internacionais
abrangendo os anos de 2017 a 2019 que apresentassem benefícios da energia solar
fotovoltaica.
O artigo apresenta diversos benefícios do uso e aplicação de energia solar fotovoltaica,
apesar de existirem diversas vantagens ainda existem desvantagens de condições
climáticas e de cunho tecnológico.
A eletricidade produzida a partir de sistemas fotovoltaicos (PV) tem um impacto
ambiental menor do que fontes tradicionais de geração de energia. Durante o seu
funcionamento as células fotovoltaicas não precisam de combustíveis fósseis, não
emitem poluentes atmosféricos ou necessitam de água para refrigeração de seus
componentes.
As células fotovoltaicas atuais são confiáveis e economicamente viáveis em diversas
aplicações, tais como: para bombeamento de água, produção de energia em áreas
remotas, com plantas fotovoltaicas autônomas construídas em regiões não alcançadas
pelas redes de linhas de transmissões.
Além disso, a integração de sistemas fotovoltaicos em áreas residenciais, ligados a
rede de transmissão, fornece uma fonte alternativa de alimentação descentralizada, que
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está se tornando uma alternativa atraente devido a incentivos fornecidos pelas
regulamentações nacionais, estaduais e municipais e podem tornar o investimento em
sistemas fotovoltaicos acessível e viável.
A ampliação do uso de sistemas fotovoltaicos dependerá fortemente de pesquisas para
redução de custos, melhorias de eficiência tecnológica e incentivos, leis e regulamentos
que visam ampliar o uso de fontes de energias renováveis corroborando para mitigação
de impactos ambientais.
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