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Energia Fotovoltaica: Guia Prático de Dimensionamento – Versão 1.0

Verifique se você está com a versão atualizada em http://www.escoladaenergia.com

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O que você vai encontrar no manual

1. Conceitos Fundamentais

2. Como identificar o recurso solar local

3. Como fazer o levantamento do consumo

4. Como escolher o módulo fotovoltaico

5. Produção de energia

6. Cálculo do número de módulos

7. Componentes do sistema fotovoltaico

8. Exemplo de dimensionamento

Autor

A Escola da Energia foi criada para ajudar engenheiros,

técnicos, estudantes e outros interessados em energias

renováveis a entender os princípios de funcionamento das

tecnologias de aproveitamento da energia solar e eólica,

tanto para geração de eletricidade quanto para

aquecimento de água.

Para que eles possam aproveitar as oportunidades de

negócios e desenvolver suas carreiras na área de energia

renováveis.

Sem que percam tempo e dinheiro buscando diversas

fontes de informações.

Espero que esse guia possa ser útil para você. Não deixe

de visitar o site http://www.escoladaenergia.com

Um grande abraço,

Daniel Coelho

http://www.escoladaenergia.com/



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1 Conceitos Fundamentais

O dimensionamento do sistema fotovoltaico é uma das

etapas mais importantes de um projeto de instalação

fotovoltaica. A partir do dimensionamento dos

componentes do sistema é possível iniciar a análise de

viabilidade técnica e econômica do uso do sistema

fotovoltaico.

Partindo do princípio que existem leitores iniciantes e

avançados em relação a tecnologia fotovoltaica,

começaremos no nível mais básico a fim de atender as

necessidades da maioria dos leitores.

Um sistema fotovoltaico tem como principal componente

os módulos fotovoltaicos, responsáveis pela transformação

da energia solar em eletricidade. Os módulos fotovoltaicos,

porém, não trabalham sozinho. Para alimentar as cargas

elétricas são necessários outros componentes. Para cada

tipo de aplicação há componentes diferentes.

As duas principais aplicações dos sistemas fotovoltaicos

são:

Sistema fotovoltaico isolado da rede elétrica.

Sistema fotovoltaico conectado a rede elétrica.



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2 Como Identificar o Recurso

Solar no Local

A disponibilidade do recurso solar no local é o ponto mais

importante para o projeto de um sistema fotovoltaico. Não

adianta ter o módulo mais eficiente e instalação mais

perfeita se não há radiação solar suficiente no local.

Medir a radiação solar existente em um local não é uma

tarefa simples. São necessários medidores específicos,

como por exemplo, o piranômetro para medir a radiação

solar global e o pireliômetro para medir a radiação solar

direta. Além disso, a medição deve ser feita por um

período de pelo menos um ano para identificar a

sazonalidade existente.

Para um dimensionamento preliminar do sistema não é

necessário realizar todas essas medidas. Uma forma mais

fácil é usar os bancos de dados de radiação solar

existentes. A figura abaixo mostra o mapa de radiação

solar no Brasil.

Fonte: (ENIO BUENO PEREIRA et al., 2006)



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De acordo com o mapa é possível perceber que a radiação

solar média diária no Brasil varia entre 4 e 6 kWh/m2/dia.

Os valores fornecidos pelo mapa são médias diárias, não

sendo possível avaliar a variação da radiação solar ao

longo do ano.

Entretanto, para efeito de dimensionamento do sistema os

dados são suficientes para uma analise preliminar.

Caso seja necessário um acompanhamento mais rigoroso

da radiação solar ao longo do ano existem outras

ferramentas disponíveis.

Uma delas, que é gratuita, é o programa SunData

disponível no site do Cresesb (Centro de Referência para

Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito).

Você vai precisar apenas das coordenadas geográficas do

local, ou seja, longitude e latitude.

Uma vez identificada a radiação solar presente no local da

instalação fotovoltaica o próximo passo é identificar o

consumo de energia elétrica a ser suprido com os módulos

fotovoltaicos.



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3 Como Fazer o Levantamento do

Consumo de Energia

Identificar o consumo de energia elétrica de forma

adequada é fundamental para o bom funcionamento do

sistema. No caso do sistema isolado da rede essa etapa é

ainda mais importante, pois nesse caso se a energia não for

suficiente para alimentar as cargas não haverá a rede

elétrica para funcionar como fonte de reserva.

A identificação do consumo de eletricidade em sistema

conectado a rede é mais simples. Bastas analisar as contas

de energia elétrica fornecida pela concessionária de

energia elétrica local durante o último ano.

É importante verificar o consumo durante o ano para

identificar os valores máximos, mínimos e a média de

consumo de energia elétrica.

Com base nos valores de consumo pode-se começar a

analisar o consumo que deve ser atendido. Optando-se por

atender o consumo mínimo existirão meses do ano que a

demanda não será totalmente atendida. Por outro lado, se o

sistema for dimensionado para o consumo máximo,

existirão meses com excesso de energia. Escolhendo o

consumo médio, alguns meses também não terão a

demanda totalmente atendida.

Considerando que o sistema se beneficiará da resolução da

ANEEL para interligação de sistemas de geração

distribuída proveniente de fontes renováveis a princípio a

escolha do valor de consumo mínimo, máximo ou médio

não representa um problema, em termos de funcionamento

do sistema.

Nos meses com excesso de geração a energia pode ser

injetada na rede para ser compensada nos meses em que a

geração não for suficiente para atender o consumo.



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Para efeito de dimensionamento do sistema fotovoltaico

será considerado o valor médio de consumo.

Uma observação importante. Na prática esse não seria o

valor ideal. De acordo com a resolução da ANEEL para

interligação de sistemas de geração distribuída proveniente

de fontes renováveis, o consumidor deve arcar com o custo

de disponibilidade da rede elétrica. Nesse caso o

consumidor paga o equivalente ao consumo de 100

kWh/mês no caso de utilizar um sistema trifásico, 50

kWh/mês para sistema bifásico e 30 kWh/mês para sistema

monofásico.

A situação mais apropriada seria escolher o valor de

consumo médio e abater o valor referente ao consumo

mínimo que o consumidor tem que pagar consumindo ou

não a energia da rede.

Identificar o consumo de energia em sistemas isolado da

rede é mais complexo. O dimensionamento do sistema

isolado da rede deve ser mais preciso, pois nesse caso a

rede elétrica não está presente para servir de fonte de

reserva.

O primeiro ponto para identificar o consumo é o correto

levantamento da potência de todos os equipamentos que

estarão presentes na instalação. A potência dos

equipamentos pode ser encontrada nos próprios

equipamentos.

Em seguida deve ser estimado o tempo de uso de cada

equipamento. O consumo de energia é calculado

multiplicando-se a potência de cada equipamento pelo seu

tempo de uso.



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4 Como Escolher o Módulo

Fotovoltaico

As principais tecnologias de células fotovoltaicas

disponíveis comercialmente são: silício monocristalino,

silício policristalino e filme fino.

As células de silício cristalino são dividas em células

monocristalinas, policristalinas e Arseneto de

Gálio(GaAs).

As principais células de filme fino são: silício amorfo,

telureto de cádmio (CdTe), sulfureto de cádmio (CdS) e

cobre-índio-galio-selênio (CIGS). Além disso, as células

de filme fino podem ser de junção simples, dupla ou tripla.

Existem também outros tipos de células fotovoltaicas em

desenvolvimento.

Para o dimensionamento do sistema fotovoltaico as

características mais importantes dos módulos fotovoltaicos

são suas dimensões físicas e o seu rendimento.



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5 Produção de Energia

O cálculo da energia produzida pelo módulo fotovoltaico

pode ser feito por meio do método da insolação.

O método da insolação consiste no uso da seguinte

fórmula:

EFV = Esol . A .

Onde:

EFV = Energia produzido pelo módulo fotovoltaico [Wh]

Esol = Radiação solar média diária no local [kWh/m2/dia]

A = Área do módulo fotovoltaico

= Rendimento do módulo

O método considera que os módulos foram instalados em

condições ideias, com uso dos recursos de MPPT

(Maximum Power Point Tracking – Rastreamento do

Ponto de Máxima Potência).



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6 Cálculo do Número de Módulos

Fotovoltaicos

A quantidade de módulos fotovoltaicos necessários para

atender a carga pode ser calculada dividindo-se a energia

que se deseja atender pela energia produzida por cada

módulo.

N = Econsumo / EFV

Onde:

N = Número de módulos fotovotaicos

Econsumo = Consumo de energia

EFV = Energia produzida pelo módulo fotovoltaico



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7 Componentes do Sistema

Fotovoltaico

Os outros equipamentos do sistema fotovoltaico, além dos

módulos, dependem do tipo de configuração utilizada.

Os equipamentos do sistema de proteção, assim como os

cabos e as conexões não estão sendo considerados. Esses

componentes seguem as regras utilizadas nas instalações

elétricas tradicionais encontradas na norma NBR 5410.

Equipamentos do Sistema Fotovoltaico

Isolado

Módulos Fotovoltaicos

Baterias

Controlador de Carga

Inversor



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Bateria

As baterias tem papel fundamental nos sistemas

fotovoltaicos isolados da rede. Elas são responsáveis por

armazenar a energia produzida pelos módulos para serem

usadas quando o Sol não estiver presente.

Os principais tipos de baterias encontrados no mercado

são: automotivas, de tração e estacionárias.

As baterias automotivas são projetadas para descargas

rápidas com alta taxa de corrente e profundidade de

descarga reduzida. Geralmente descarregam 20% em uso

normal.

As baterias de tração operam em regime de ciclos diários

profundos e taxa de descarga moderada.

Baterias estacionárias permanecem em flutuação,

estado de carga próximo a plena carga, e são solicitadas

ocasionalmente. Baterias estacionárias de ciclo profundo

podem descarregar-se até 50% ou 80%.

As baterias utilizadas em sistemas de fontes alternativas

são projetadas para ciclos diários rasos com reduzida taxa

de descarga, porém devem suportar descargas profundas

esporádicas, períodos com escassez de recurso.

O dimensionamento do banco de baterias deve considerar:

O consumo diário de energia;

A autonomia, número de dias que o banco de

bateria pode atender o consumo sem que

haja produção de energia em dias de pouca

insolação;

A profundidade do ciclo de descarga da

bateria.



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Controlador de Carga

O controlador de carga é utilizado para fazer a conexão

entre os módulos fotovoltaicos e a bateria do sistema. A

função do controlador de carga é garantir o fluxo de

energia entre as fontes de geração e o banco de baterias,

evitando a sobrecarga, a descarga excessiva e controlando

o carregamento das baterias. Garantindo dessa forma a

maior vida útil para as baterias.

Para evitar a sobrecarga das baterias o controlador de carga

desconecta os módulos fotovoltaicos quando a bateria está

totalmente carregada. No caso da proteção contra descarga

excessiva o controlador de carga interrompe o

fornecimento de energia para a carga quando a bateria

atingir o nível de carga mínimo de segurança.

O gerenciamento da carga da bateria depende do uso de

controladores mais sofisticados que possuem as funções de

respeitar o perfil de carga das baterias (controlador PWM)

e fazer com que os módulos fotovoltaicos operem no ponto

de máxima potência (controlador MPPT).

O dimensionamento do controlador de carga considera a

tensão de operação e a corrente elétrica fornecida pelos

módulos fotovoltaicos.

Deve ser usado um fator de segurança de 30% para

garantir que a corrente do controlador de carga não seja

excedida.



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Inversor

A principal função de um inversor é transformar corrente e

tensão elétricas contínua, normalmente fornecidas pelos

módulos fotovoltaicos ou bancos de baterias, em corrente e

tensão elétrica alternada demandada pela maioria das

cargas.

De uma forma bem simplificada, o princípio de

funcionamento do inversor consiste em um circuito

eletrônico com chaves interligadas de forma a permitir ou

interromper a passagem da corrente contínua produzindo

uma corrente de saída na forma alternada.

O dimensionamento do inversor deve considerar a potência

total dos equipamentos atendidos pelo sistema. Além

disso, deve ser respeitada as suas tensões de entrada

(contínua) e saída (alternada).

Principais Tipos de Inversores

Inversores de Onda Quadrada

Inversores de Onda Senoidal Modificada

Inversores de Onda Senoidal Pura

Inversores Interativos com a Rede



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Equipamentos do Sistema Fotovoltaico

Conectado a Rede

Inversor para sistema conectado à rede

Nos sistemas fotovoltaicos conectados a rede, além dos

módulos, o inversor é o principal equipamento a ser

dimensionado.

Os inversores utilizados para fazer a conexão dos sistemas

de geração de energia com a rede elétrica devem fornecer

corrente alternada na forma senoidal em sincronismo de

fase com a rede.

Além disso, os inversores para conexão à rede devem

atender aos seguintes requisitos:

Tensão de operação;

Frequência de operação;

Minimização de corrente contínua na rede

elétrica;

Distorção harmônica de corrente admissível;

Fator de potência;

Atuação na detecção de ilhamento;

Normas brasileiras.

O dimensionamento do inversor para sistemas

fotovoltaicos conectados a rede deve considerar os

seguintes pontos:

A soma da tensão de circuito aberto dos

módulos fotovoltaicos ligados em série não

deve ultrapassar a tensão máxima permitida

na entrada do inversor.

A potência do inversor deve ser igual ou

maior que a potência de pico dos módulos

fotovoltaicos.



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EXEMPLOS DE DIMENSIONAMENTO



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Sistema Isolado

Dimensionamento de um sistema fotovoltaico para atender

um residência isolada da rede elétrica.

Equipamentos a serem atendidos

4 lâmpadas de 25W ligadas durante 4 horas por dia

2 lâmpadas de 15W ligadas durante 2 horas por dia

1 geladeira de 250W ligada durante 10 horas por dia

1 televisão de 300W ligada durante 5 horas por dia

Radiação solar no local da instalação

Radiação solar média diária de 5 kWh/m2/dia.

Levantamento do consumo de energia

O primeiro passo no dimensionamento do sistema é o levantamento do consumo diário de energia.

Equipamento Potência (W) Quantidade (Unid.) Potência Total (W) Tempo (h) Energia (Wh)

Lâmpada 25 4 100 2 200

Lâmpada 15 2 30 5 150

Geladeira 250 1 250 10 2500

TV 300 1 300 4 1200

Total 680 4050

A potência total de cada equipamento é obtida multiplicando a potência individual pelo número de equipamentos.

A energia é calculada multiplicando a potência total de cada equipamento pelo seu respectivo tempo de uso.

Por fim, o somatório da coluna energia fornece a energia total consumida pelos equipamentos diariamente (Econsumo), o que

equivale a 4.050 Wh/dia, ou 4,05 kWh/dia.

Dimensionamento do banco de baterias

Premissas adotadas nesse exemplo

As baterias utilizadas são de chumbo ácido de 12V

com descarga máxima de 50% e capacidade de 240

Ah.

O sistema deve ter autonomia de 3 dias. Ou seja,

deve fornecer energia mesmo em períodos chuvosos

ou nublados.

Energia armazenada

Considerando que o sistema tenha 3 dias de autonomia e a

descarga máxima da bateria é de 50% teremos:

EArmazenada = Naut x Econsumo / D

EArmazenada = 3 x 4050 / 0,50 = 24300 Wh

Onde:

EArmazenada = Energia armazenada

Naut = Número de dias de autonomia

Econsumo = Energia consumida (Wh)

D = Descarga máxima da bateria

A energia armazenada pelo banco de bateria deve ser 24,3

kWh.



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Configuração do banco de baterias

Número de baterias em série

NBateria Série = VBanco / VBateria = 24 / 12 = 2

Onde:

NBateria = Número de baterias em série

VBanco = Tensão do banco de baterias (nesse caso 24V)

VBateria = Tensão da bateria (nesse caso 12V)

Devem ser usadas 4 baterias conectadas em série.

Capacidade do banco de baterias

CBanco = EArmazenada / VBanco = 24300 / 24 = 875 Ah

O banco de bateria deve ter capacidade de 1013 Ah

Número de baterias em paralelo

NBateria Paralelo = CBanco / CBateria = 1013 / 240 = 4,2

Devem ser usadas 4 baterias conectadas em paralelo

Sendo assim o banco de baterias será composto por quatro

conjuntos de baterias em paralelo, com duas baterias em

série em cada conjunto. O banco terá então um total de

oito baterias.



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Dimensionamento dos módulos

Premissas adotadas

Considere que os módulos sejam instalados nas

condições ideais. Ou seja, orientado em direção ao

Norte e com a inclinação adequada a região.

Energia produzida por um módulo

O primeiro passo é calcular a energia produzida por um

módulo fotovoltaico. Nesse exemplo vamos usar o módulo

LD135R9W, suas características são:

Comprimento 1,47 m Largura 0,67 m

Potência Máxima 135 W

Eficiência 13,7 % Corrente de curto circuito 8,41 A

A área da superfície do módulo fotovoltaico pode ser

calcula multiplicando o seu comprimento pela largura.

A = 1,47 x 0,67 = 0,98 m2

A energia produzida pelo módulo fotovoltaico pode ser

calculada pela seguinte fórmula:

EFV = Esol x A x = 5000 x 0,98 x 0,137 = 671 Wh

Número de módulos

NMódulo = Econsumo / EFV = 4050 / 671 = 6,04 módulos

Nesse caso são usados 6 módulos.



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Configuração dos módulos

A configuração dos módulos fotovoltaicos será formada

por 3 strings em paralelo com 2 módulos em série por

string.



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Dimensionamento do controlador de carga

Premissas adotadas

A corrente de curto circuito do módulo é 8,41A.

O controlador de carga é equipado com MPPT

(aumenta a produção de energia em torno de 30%).

Tensão do banco de bateria é 24V

Tensão dos equipamentos da residência é 127V.

Considerando a configuração dos módulos fotovoltaicos,

cada string tem uma corrente máxima de 8,41A, como

existem 3 strings a corrente será de 25,2A.

I = 8,41 x 3 = 25,2 A

Aplicando o fator de segurança de 30% temos:

I = 25,2 x 1,3 = 32,8 A

Características do controlador de carga:

Corrente nominal mínima de 33A e tensão de 24V.

Dimensionamento do inversor

O inversor deve ser capaz de atender a demanda total de

potência dos equipamentos do sistema.

De acordo com a tabela de levantamento de consumo o

somatório da potência dos equipamentos é de 680W.

Aplicando um fator de segurança de 30% a potência deve

ser de 884W.

Pinv = Pequip x 1,3 = 680 x 1,3 = 884 W

Onde:

Pinv = Potência do inversor

Pequip = Potência do somatório dos equipamentos

Dessa forma, o inversor deve ser capaz de operar com uma

potência mínima de 884W e tensão de 24V.



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Sistema Conectado a Rede

Dimensionamento de um sistema fotovoltaico para uma

residência conectada a rede com consumo médio mensal

de 300 kWh.

Não está sendo considerada a opção de abater do consumo

a energia equivalente ao custo de disponibilidade do

sistema, conforme resolução normativa 482/2012 da

ANEEL.

O sistema será dimensionado para produzir os 300 kWh

mensais.

Radiação solar de 5 kWh/m2/dia no local da instalação.



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Dimensionamento dos módulos

fotovoltaicos

Premissas adotadas

Potência do módulo 240W

Área da superfície do módulo 1,6 m2

Eficiência de 14,6%

Energia produzida por um módulo

O primeiro passo é calcular a energia produzida por um

módulo fotovoltaico nas condições do local.

EFVdia = Esol x A x = 5000 x 1,6 x 0,146 = 1.168 Wh

Energia produzida pelo módulo ao longo de um mês:

EFVmês = 1.168 x 30 = 35 kWh

Número de módulos

Número de módulos necessários para produzir 300

kWh/mês:

N = Econsumo / EFVmês = 300 / 35 = 8,6 módulos

Então, para produzir 300 kWh/mês são necessários 9

módulos fotovoltaicos de 240W.

Configuração dos módulos fotovoltaicos



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Dimensionamento do inversor

Para dimensionar o inversor devem ser analisados dois

pontos importantes.

Premissas

Tensão de circuito aberto dos módulos fotovoltaicos

é 37V.

Tensão do inversor

O primeiro ponto é verificar se a soma das tensões dos

módulos ligados em série está de acordo com a faixa de

tensão de entrada do inversor.

Considerando que a tensão de circuito aberto do módulo

usado seja de 37V, a tensão dos 9 módulos ligados em

série será:

Vstring = 9 x 37 = 333V

Pode ser aplicado um fator de segurança de 10% e nesse

caso a tensão máxima de saída será:

Vstring = 333 x 1,1 = 366 V

O inversor deve possuir uma faixa de tensão de entrada

que suporte a tensão de 366V.

Potência do inversor

O segundo ponto a ser verificado é a potência máxima

fornecida pelos módulos.

Como cada módulo tem potência de 240W, os 9 módulos

em conjunto fornecem uma potência de 2160W.

Pinv = Nmódulo x Pmódulo = 9 x 240 = 2.160 W

Então o inversor deve ser capaz de suportar a potência

máxima de 2160W e a tensão de entrada de 366V.



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CONCLUSÃO

O dimensionamento de sistemas fotovoltaicos tem um

papel fundamental na avaliação preliminar do sistema. A

partir do dimensionamento do sistema é possível:

Identificar os principais equipamentos

Ter uma estimativa de custo

Avaliar a área necessária para instalação dos

módulos

Estimar a produção de energia

O que foi visto nesse guia prático

Configurações mais utilizadas nos sistemas fotovoltaicos.

Sistemas isolados da rede

Sistemas conectados a rede

Dados de radiação solar no local da instalação.

Mapas Solarimétricos

Site do CRESESB

Levantamento do consumo de energia da residência ou

instalação a ser atendida.

Sistema isolado – Potência dos equipamentos e

tempo de operação

Sistema conectado – Contas anteriores de consumo

de eletricidade

Principais tecnologias fotovoltaicas atualmente no

mercado

Silício Policristalino

Silício Monocristalino

Filmes Finos

Produção de energia

Método da insolação



28

Cálculo do número de módulos

Demanda de energia

Energia produzida por cada módulo

Componentes do sistema fotovoltaico

Sistema isolado

o Módulos Fotovoltaicos

o Controlador de Carga

o Banco de Baterias

o Inversor

Sistema conectado

o Módulos Fotovoltaicos

o Inversor para sistema conectado a rede

O mercado de energia solar fotovoltaica tem se

desenvolvido muito nos últimos anos. Novos

produtos e técnicas aparecem todos os dias.

Esse guia prático estará em constante revisão

e aprimoramento.

Acesse http://www.escoladaenergia.com e

veja se você está com a versão atualizada.

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