第 4 章太阳能、光伏发电与控制技术

第 4 章

太阳能、光伏发电与控制技术

机械工业出版社第 4 章太阳能、光伏发电与控制技

术

机械工业出版社 2第 4 章太阳能、光伏发电与控制技

术

4.1 太阳的辐射及太阳能简介

4.2 太阳能的转换与应用

4.3 太阳能电池与光伏发电原理

4.4 MPPT 光伏变换与控制技术

4.5 光伏阵列并网逆变器的结构与控制策略

4.6 光伏发电的制约因素与经济技术评价

本章主要内容


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4

4.1 太阳的辐射及太阳能简介

4.1.1 太阳简介

图 4-1 太阳的结构机械工业出版社

第 4 章太阳能、光伏发电与控制技术

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图 4-2 地球绕太阳运行示意图

太阳活动


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地面辐射的时空变化特点是：① 全年以赤道获得的辐射最多，极地最少。这种热量不均匀分布，必然导致地表各纬度的气温产生差异，在地球表面出现热带、温带和寒带气候；② 太阳辐射夏天大冬天小，它导致夏季温度高而冬季温度低。

4.1.2 太阳辐射

地区太阳平均辐射强度

kWh/(m2·d) W/m2

热带、沙漠 5 － 6 210 － 250

温带 3 － 5 130 － 210

阳光较少地区（北欧） 2 － 3 80 － 130

不同地区太阳平均辐射强度


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地球上的能流


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图 4-4 地球上的能流

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4.2 太阳能的转换与应用

机械工业出版社

太阳能必须即时转换成其他形式能量才能贮存和利用，转换的方式主要有以下几种：（ 1 ）太阳能――热能转换，并以热能形式贮存

（ 2 ）太阳能――电能转换，并以电能形式贮存

（ 3 ）太阳能――氢能转换，并以氢能形式贮存

（ 4 ）太阳能――生物质能转换，并贮存于生物质

（ 5 ）太阳能－－机械能转换，并以机械能形式贮存第 4 章太阳能、光伏发电与控制技

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4.2.1 太阳能应用的发展史


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第一阶段（ 1900～ 1920 年）

第二阶段（ 1920～ 1945 年）

第三阶段（ 1945～ 1965 年）

第四阶段（ 1965～ 1973 年）

第五阶段（ 1973～ 1980 年）

第六阶段（ 1980～ 1992 年）

第七阶段（ 1992～ 2005 年）

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4.2.2 太阳能的技术应用


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1 ．太阳能采集

※ （ 1 ）平板集热器

※ （ 2 ）真空管集热器

※ （ 3 ）聚光集热器

11机械工业出版社第 4 章太阳能、光伏发电与控制技

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2 ．太阳能的转换

※ （ 1 ）太阳能――热能转换

※ （ 2 ）太阳能――电能转换

※ （ 3 ）太阳能――氢能转换

※ （ 4 ）太阳能――生物质能转换

※ （ 5 ）太阳能－－机械能转换

2 ．太阳能的转换


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3 ．太阳能贮存

※ （ 1 ）热能贮热

※ （ 2 ）电能贮存

※ （ 3 ）氢能贮存

※ （ 4 ）机械能贮存


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4 ．太阳能传输

※ （ 1 ）直接传输

※ （ 2 ）间接传输


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5. 太阳能的利用

※ （ 1 ）太阳辐射的热能利用

※ （ 2 ）太阳能光热利用

※ （ 3 ）太阳能热发电

※ （ 4 ）太阳能综合利用

※ （ 5 ）太阳能光伏发电技术

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太阳能的利用


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尚德大型太阳能发电幕墙


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美国最大的光伏发电站 -1


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美国最大的光伏发电站 -2


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4.3 太阳能电池与光伏发电原理4.3.1 太阳能电池

太阳能光伏发电的最基本元件是太阳电池（片），有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等种类。单晶和多晶电池用量最大，非晶电池用于一些小系统和计算器辅助电源等。


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太阳能电池原理

太阳能电池的原理是基于半导体的光伏效应，将太阳辐射直接转换为电能。

所谓光电效应，就是指物体在吸收光能后，其内部能传导电流的载流子分布状态和浓度发生变化，由此产生出电流和电动势的效应。在气体、液体和固体中均可产生这种效应，而半导体光伏效应的效率最高。


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1. 半导体的内部结构


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图 4-5 一般的半导体结构

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2. P 型半导体的结构


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图 4-6 P型半导体

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3. N 型半导体的结构


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图 4-7 N型半导体

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4. 太阳能电池晶片的组成


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图 4-8 太阳电池晶片

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5. 太阳能晶片受光的物理过程


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图 4-9 太阳能晶片受光的物理过程

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太阳能电池的分类

1. 单晶硅太阳能电池

2. 多晶硅太阳能电池

3. 非晶硅太阳能电池


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4.3.2 太阳能光伏发电原理

机械工业出版社

1.太阳能电池阵列

2.逆变器

3.用电设备

4.进户计量仪表


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图 4-10 典型的光伏发电系统

1. 太阳能光伏发电系统的结构


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2 . 系统组成

（ 1 ）太阳能电池组件：由太阳能电池（也称光伏电池）按照系统的需要串联或并联而组成的矩阵或方阵，在太阳光照射下将太阳能转换成电能，它是光伏发电的核心部件。

（ 2 ）充放电控制器、逆变器本部分除了对蓄电池或其他中间蓄能元件进行充放电控制外，一般还要按照负载电源的需求进行逆变，使光伏阵列转换的电能经过变换后可以供一般的用电设备使用。

（ 3 ）蓄电池、蓄能元件及辅助发电设备蓄电池或其他蓄能元件如超导、超级电容器等是将太阳能电池阵列转换后的电能储存起来，以使无光照时也能够连续并且稳定的输出电能，满足用电负载的需求。


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3. 光伏系统分类（ 1 ）小型太阳能供电系统（ Small DC ）

该系统的特点是系统中只有直流负载而且负载功率比较小，整个系统结构简单，操作简便。如在我国的西北地区大面积推广使用了这种类型的光伏系统，负载为直流节能灯、家用电器等，用来解决无电地区家庭的基本照明和供电问题。


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图 4-11 小型太阳能供电系统

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（ 2 ）简单直流系统（ Simple DC ）

该系统的特点是系统中负载为直流负载，而且负载的使用时间没有特别要求，负载主要在日间使用，系统中没有蓄电池，也不需要控制器。整个系统结构简单，直接使用太阳能电池阵列给负载供电，光伏发电的整体效率较高。如光伏水泵就使用了这种类型的光伏系统。

直流用电设备


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图 4-12 简单直流供电系统

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（ 3 ）大型太阳能供电系统（ Large DC ）该系统的特点是系统中用电器也是直流负载，但负载功率比较大，整个系统的规模也比较大，需要配备较大的太阳能光伏阵列和较大的蓄电池组。常应用于通信、遥测、监测设备电源，农村集中供电站，航标灯塔、路灯等领域。如在我国的西部地区部分乡村光伏电站使用了这种类型的光伏系统，中国移动和中国联通公司在偏僻无电地区的通信基站等。

直流用电设备

直流用电设备

直流用电设备

直流用电设备


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图 4-13 大型太阳能供电系统

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该系统的特点是系统中同时含有直流负载和交流负载，整个系统结构比较复杂，整个系统的规模也比较大，同样需要配备较大的太阳能光伏阵列和较大的蓄电池组。如在一些同时具有交流和直流负载的通信基站或其他一些含有交流和直流负载的光伏电站中使用了这种类型的光伏系统。

（ 4 ）交流、直流供电系统（ AC/DC ）

直流用电设备

直流用电设备

直流用电设备

直流用电设备

DC

DC

AC

交流用电设备


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图 4-14 交流、直流供电系统

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（ 5 ）并网系统（ Utility Grid Connect ）这种系统的最大特点是太阳能电池阵列转换产生的直流电经过三相逆变器（ DC/AC ）转换成为符合公共电网要求的交流电并直接并入公共电网，供公共电网用电设备使用和远程调配。这种系统中所用的逆变器必需是专用的并网逆变器，以保证逆变器输出的电力满足公共电网的电压、频率和相位等性能指标的要求。这种系统通常能够并行使用市电和太阳能电池阵列作为本地交流负载的电源，降低了整个系统的负载缺电率；而在夜晚或阴雨天气，本地交流负载的供电可以从公共电网获得。

DC

AC


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图 4-15 并网发电系统

4.4.1 光伏阵列的组成与输出特性


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4.4 MPPT 光伏发电变换与控制技术

1 ．光伏电池的电特性

光伏电池的等效电路如图 4-18.

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I LG I RshI dRsh

Rs

I

RL

电流 I 为太阳能电池输出电流， Id 为二极管工作电流， IRsh 为漏电流， ILG 为光电池电流源， Rsh 为光伏电池的并联等效电阻； Rs ：光伏电池的串联等效电阻。

图 4-18 光伏电池等效电路图


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光伏电池的输出特性方程：

式中：

shRdLG IIII

{exp[ ( )] 1} SLG os S

sh

V IRqI I V IR

AKT R

)]11

(exp[][ 3

TTBK

qE

T

TII

r

GO

roros

1000)]298([ 1

TkII SCRLG

并联电阻 Rsh 越大，不会影响短路电流的数值。所以下面设计中忽略Rsh ，得到简化的光伏电池输出特性方程：

}1)]({exp[ SosLG IRVAKT

qIII

I ：光伏电池输出电流； V ：光伏电池输出电压； IOS ：光伏电池暗饱和电流 T ：光伏电池的表面温度； k ：波尔兹曼常数 (1.38*10-23 J/。 K) ：日照强度； q ：单位电荷 (1.6*10-19C)； K1 ：短路电流的温度系数； ISCR ：标准测试条件（光伏电池温度 25℃ ，日照强度为 1000W/m2 ）下，光伏电池的短路电流； ILG ：光电流； EGO ：半导体材料的禁带宽度； Tr ：参考温度 (301.18。 K)； Ior： Tr 下的暗饱和电流； A,B ：理想因子，一般介于 1和 2之间


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光伏电池模型


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当负载 RL从 0 变化到无穷大时，即可得到如图所示太阳能电池输出特性曲线。调节负载电阻 RL到某一值 Rm 时，在曲线上得到一点 M ，其对应的工作电压和工作电流之积最大，即Pm=Im*Vm ，将此 M 点定义为最大功率输出点（ MPP ）。

光伏电池的输出特性图机械工业出版社


2 ．光伏电池的伏安特性

2 ．光伏电池的伏安特性


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图 4 － 20 光伏电池的伏――安特性 `

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MPPT 本质上是一个寻优过程。通过测量电压、电流和功率，比较它们之间的变化关系，决定当前工作点与峰值点的位置关系，然后控制电流（或电压）向当前工作点与峰值功率点移动，最后控制电流（或电压）在峰值功率点附近一定范围内来回摆动。

图 4-22 不同光照强度下的光伏电池最大功率点机械工业出版社


4.4.1 光伏阵列的组成与输出特性

3．MPPT工作原理

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在光伏系统中，通常要求光伏电池的输出功率保持在最大，也就是让光伏电池工作在最大功率点，从而提高光伏电池的转换效率。 MPPT 就是一个不断测量和不断调整以达到最优的过程，它不需要知道光伏阵列精确的数学模型，而是在运行过程中不断改变可控参数的整定值，使得当前工作点逐渐向峰值功率点靠近，使光伏系统运作在峰值功率点附近。


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1.定电压跟踪法2.扰动观察法3.功率回授法4.增量电导法5.模糊逻辑控制6.滞环比较法7.神经元网络控制法8. 最优梯度法

常用最大功率点跟踪算法：


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4.4.2 MPPT 光伏阵列的发电变换

光伏发电系统一般包括：

◎光伏电池最大功率点跟踪（ MPPT ）控制器

◎蓄电池充放电控制器

◎直流升压或降压型变换器

◎逆变器


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光伏系统的逆变器光伏发电系统中的逆变器，包括无源逆变和

有源逆变两种形式。其中无源逆变用于孤立型光伏发电站，通过逆变器将直流逆变为方波或经 SPWM调制为正弦波交流电，直接向交流负载供电。有源逆变器用于并网光伏发电，通过逆变器以 SPWM 的方式产生交流调制正弦电源，并使输出正弦波的电压幅值、频率及相位等变量与公共电网一致。光伏发电系统中的逆变器按输入侧直流储能元件类型可进一步划分为电压型逆变和电流型逆变两类；按拓朴结构又可分为单相半桥逆变电路，单相全桥逆变电路和三相全桥逆变电路三种。


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1. 电压型逆变器


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图 4-25 电压型逆变器

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2. 串联谐振电压型逆变器


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图 4-26 串联谐振电压型逆变器

60

3. 电流型逆变器


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图 4-27 电流型逆变器

61

4. 并联谐振电流型逆变器


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图 4-28 并联谐振电流型逆变器

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5. 单相半桥逆变器


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图 4-29 单相半桥逆变器

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6. 单相全桥逆变器


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图 4-30 单相全桥逆变器

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7. 三相桥式逆变器


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图 4-31 三相桥式逆变器

4.4.3 MPPT 光伏阵列发电的控制技术


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1 ．蓄电池充电控制

2 ．最大功率点跟踪（ MPPT ）控制

3 ．太阳光跟踪系统

4.5 光伏阵列并网逆变器的结构与控制策略


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4.5.1 光伏阵列并网逆变器的结构4.5.1 光伏阵列并网逆变器的结构4.5.1 光伏阵列并网逆变器的结构

4.5.1 光伏阵列并网逆变器的结构

1 ．电压源型光伏阵列的逆变并网

图 4－ 40 光伏阵列并网的电压源型电路结构


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2 ．电流源型光伏阵列的逆变并网

图 4－ 41 光伏阵列电流源型并网逆变电路拓扑


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3 ．单级式并网逆变器

图 4－ 42 单级式并网逆变器的电路拓扑


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4 ．两级式并网逆变器

图 4－ 43 两级式并网逆变器的电路拓扑


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图 4－ 44 一种改进型两级式并网逆变器拓扑


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5 ．多级式并网逆变器

图 4－ 45 多级式并网逆变器的电路拓扑


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4.5.2 光伏阵列并网逆变器的控制策略

1 ．并网波形的跟踪与控制策略

2 ．光伏阵列的最大功率点控制

3 ．并网系统的保护与光伏发电并网的孤岛问题

4.6 光伏发电的制约因素与经济技术评价


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成本 / 价格年份

（ USD）

光伏电池

1990 1995 2000 2010

单晶硅 3.25/5.40 2.40/4.00 1.50/2.50 1.20/2.00

多晶硅 3.00/5.00 2.25/3.75 1.50/2.50 1.20/2.00

聚光电池 3.00/5.00 2.00/3.33 1.20/2.00 0.75/1.25

非晶硅 3.00/5.00 2.00/3.30 1.20/2.00 1.00/1.67

薄膜硅 2.00/3.33 1.20/2.00 0.75/1.25

CIS 2.00/3.33 1.20/2.00 0.75/1.25

CdTe 1.50/2.50 1.20/2.00 0.75/1.25

表 4 － 2 地面用光伏电池组件的成本与价格（ 1990 ～ 2010年）


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年份效率（%）光伏电池

1995 2000 2010

单晶硅 15 18 22

多晶硅 14 16 20

聚光电池 22 25 30

非晶硅 7～ 9 10 14

薄膜硅 8～ 10 12 15

CIS 7～ 9 12 14

CdTe 7～ 9 12 15

表 4 － 3 光伏电池组件的效率


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光伏阵列发电主要存在以下问题：

１．光伏阵列发电效率低

２．光伏阵列发电系统的造价成本高

３．光伏阵列发电系统的运行受气候环境因素影响大

４．光伏电池组件的制造需要消耗大量能源


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目前大多数的风—光，风—光—柴油以及风—光—柴—蓄等脱离大电网的混合局部并网发电系统都具有独立和并网两种工作模式，因而以太阳能光伏发电与风力发电进行互补，综合天燃气燃机发电或柴油发电，而形成大型新能源综合发电是未来重要的发展方向。

77机械工业出版社

小结

本章介绍太阳能光伏发电的相关知识，从太阳能的利用方面初步了解太阳能电池的基本原理和特性，介绍了MPPT 及其控制的原理和方法；并进一步简述的在太阳能应用中常用的 DC－ DC 变换或 DC－ AC 变换，最后列举了一些知名厂商的太阳能逆变器产品。


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SUNNY BOY 700 SUNNY BOY 3800

附录：光伏逆变器实物及一些重要指标 SMA公司


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SUNNY BOY 2100TL SUNNY BOY 2800i


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SUNNY MINI CENTRAL 5000A/6000A SUNNY MINI CENTRAL 7000HV


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Sunny Tower Sunny Central SC350 /350HE


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82

DELTA公司

Solar Inverter SI 1900


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83

Solar Inverter SI 3300


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84

Central Inverter CI 100


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XANTREX公司

GT Series Grid Tie Solar Inverter


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86

GT Series Grid Tie Solar Inverter 参数


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GT30E Inverter


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BP SOLAR公司

GC INVERTER


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sunways公司

Sunways NT 6000, NT 5000, NT 4000 and NT 2600 Solar Inverters


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Fronius IG 15 / 20 / 30

Fronius公司


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Fronius IG 40 / 60 HV


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Fronius IG Central Inverters


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Fronius IG Plus 35


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The MS Series Pure Sine Wave Inverter/Charger


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