基于ERA5卫星GHI数据计算跟踪式组件表面辐照度的方法咨询

要计算跟踪式光伏组件表面的辐照度，核心是先从ERA5的水平面总辐照度（GHI）分解出关键分量，再结合跟踪系统的类型计算入射辐照度，以下是关键步骤和对应的计算函数/方法：

1. 从GHI分解直射（DNI）和散射（DHI）分量 #

ERA5通常仅提供GHI，需先分解为直射法向辐照度（DNI）和水平面散射辐照度（DHI），常用Erbs模型，对应的计算逻辑可封装为函数：

def erbs_decompose(GHI, solar_zenith, datetime):
    # 输入：GHI（水平面总辐照度）、太阳天顶角、时间
    # 输出：DNI、DHI
    zenith_rad = np.radians(solar_zenith)
    extraterrestrial = pvlib.irradiance.get_extra_radiation(datetime)
    kt = GHI / (extraterrestrial * np.cos(zenith_rad))
    
    if kt <= 0.22:
        DHI = GHI * (1 - 0.09 * kt)
    elif kt <= 0.8:
        DHI = GHI * (0.9511 - 0.1604*kt + 4.388*kt**2 - 16.638*kt**3 + 12.336*kt**4)
    else:
        DHI = GHI * 0.165
    
    DNI = (GHI - DHI) / np.cos(zenith_rad) if np.cos(zenith_rad) > 0 else 0
    return DNI, DHI

2. 计算太阳位置参数 #

需要太阳高度角、方位角来确定跟踪系统的角度，常用SPA（太阳位置算法），可直接调用成熟函数：

• Python pvlib.solarposition.get_solarposition()：输入经纬度、时间，输出太阳天顶角、方位角等参数
• 自行实现SPA核心逻辑：基于日期、经纬度计算太阳赤纬、时角等，进而推导位置参数

3. 跟踪式表面辐照度计算 #

根据跟踪系统类型选择对应方法：

单轴跟踪（南北轴，东西方向转动） #

计算跟踪表面的入射角，再结合各辐照度分量计算总入射辐照度，常用函数逻辑：

def single_axis_irradiance(DNI, DHI, GHI, solar_zenith, solar_azimuth, axis_tilt=0, axis_azimuth=180):
    # 输入：DNI、DHI、GHI、太阳天顶角/方位角、跟踪轴倾角/方位角（南北轴默认方位角180°）
    # 输出：跟踪表面总辐照度
    tracker_angles = pvlib.tracking.singleaxis(solar_zenith, solar_azimuth, axis_tilt, axis_azimuth)
    surface_tilt = tracker_angles['surface_tilt']
    surface_azimuth = tracker_angles['surface_azimuth']
    
    # 直射分量
    dni_irrad = pvlib.irradiance.dni(dni=DNI, solar_zenith=solar_zenith, surface_tilt=surface_tilt, surface_azimuth=surface_azimuth, solar_azimuth=solar_azimuth)
    # 散射分量（Hay模型）
    dhi_irrad = pvlib.irradiance.haydavies(dhi=DHI, solar_zenith=solar_zenith, surface_tilt=surface_tilt, surface_azimuth=surface_azimuth, solar_azimuth=solar_azimuth)
    # 地面反射分量（默认反照率0.2）
    albedo_irrad = pvlib.irradiance.albedo(ghi=GHI, surface_tilt=surface_tilt, albedo=0.2)
    
    return dni_irrad + dhi_irrad + albedo_irrad

双轴跟踪（始终正对太阳） #

此时表面与太阳光线垂直，入射角为0，直射分量直接取DNI，散射分量用Klucher模型计算：

def double_axis_irradiance(DNI, DHI, GHI, solar_zenith, solar_azimuth):
    # 双轴跟踪时表面始终垂直太阳，动态调整表面倾角/方位角
    surface_tilt = 90 - solar_zenith
    surface_azimuth = solar_azimuth
    
    # 直射分量
    dni_irrad = DNI
    # 散射分量（Klucher模型）
    dhi_irrad = pvlib.irradiance.klucher(dhi=DHI, solar_zenith=solar_zenith, surface_tilt=surface_tilt, surface_azimuth=surface_azimuth, solar_azimuth=solar_azimuth)
    # 地面反射分量
    albedo_irrad = pvlib.irradiance.albedo(ghi=GHI, surface_tilt=surface_tilt, albedo=0.2)
    
    return dni_irrad + dhi_irrad + albedo_irrad

注意事项 #

• ERA5的GHI为小时均值，计算时需用对应时段的平均太阳位置，或逐分钟插值提升精度
• 若ERA5提供DNI/DHI的再分析数据，可直接使用，无需分解

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Ignpl