光伏

Perez 各向异性转置模型 — 从水平面辐照到组件倾斜面

· 南京运梦科技算法团队 · 评审 算法负责人

Perez 各向异性转置模型 — 从水平面辐照到组件倾斜面 封面

做光伏发电量评估或预测的同行，几乎都踩过同一个坑：手里拿到的气象数据是水平面的总辐照（GHI），可组件并不是平躺在地上的——它有倾角、有方位角、可能还在跟踪支架上转。水平面辐照和组件实际接收到的倾斜面辐照（POA，Plane of Array）之间，差的可能不是一点半点，尤其在高纬度、大倾角或冬季低太阳高度角的场景下，差异往往是两位数百分比。如果直接拿 GHI 当 POA 用，发电量评估从一开始就偏了。

把水平面辐照换算到任意朝向的倾斜面，这个步骤叫"辐射转置"（transposition）。转置里最棘手的不是直射分量——直射只要知道太阳位置和组件法向，做个余弦投影就行；真正难的是散射分量。天空不是一块亮度均匀的幕布：太阳周围一圈特别亮（环日散射），靠近地平线的天空又有一道亮带（地平亮带），其余部分才大致均匀。早期工程里图省事，把整个天空当成亮度均匀的半球（各向同性假设），晴空和薄云天就会系统性地把散射算偏。

Perez 等人 1990 年在 Solar Energy 上提出的各向异性转置模型，正是为了解决这个问题。它把扩散辐射拆成三块来刻画，用一套随天空状态变化的经验系数去描述环日和地平亮带的强弱，至今仍是 pvlib 等主流光伏建模工具里默认或常用的转置模型之一。本文梳理它的思路，并说明如何用运梦气象 API 的三分量辐照数据把它跑起来。

关键要点

  • Perez 1990 模型把扩散辐射 DHI 分解为三部分：各向同性背景、环日（circumsolar）亮区、地平线（horizon）亮带，这是它区别于各向同性模型的核心。
  • 模型用经验系数表（环日系数 F1、地平系数 F2）来表达天空的各向异性程度，而这两个系数随**天空清晰度（clearness，ε）与亮度（brightness，Δ）**参数变化。
  • 相比简单的各向同性模型（如 Liu–Jordan 思路），Perez 模型在晴空和部分云况下对倾斜面散射的刻画更准。
  • 倾斜面总辐照 POA = 直射分量（DNI×cos 入射角）+ 散射分量（Perez）+ 地面反射分量（反照率 albedo×GHI×视角因子）。
  • 运梦 API 的 rsds（GHI）、dni、dhi 三分量是 Perez 转置的输入；配合 SPA 算出的太阳角，即可算 POA。

背景与定位

这篇论文的作者是 Richard Perez、Pierre Ineichen、Robert Seals、Joseph Michalsky 与 Ronald Stewart，发表在 1990 年的 Solar Energy 第 44 卷第 5 期，页码 271–289。论文标题是 "Modeling daylight availability and irradiance components from direct and global irradiance"，从标题就能看出它处理的范围其实比"转置"更宽——它同时建模了日光可用性（daylight availability）与各辐照分量，而倾斜面散射转置只是其中被后世工程界引用最多的一块。

为什么这块这么重要？因为光伏组件、平板集热器、建筑立面采光，几乎所有把太阳能往斜面上接的应用，都要回答"水平测到的散射，在我这个倾斜面上还剩多少"。各向同性假设的好处是公式极简，只用一个天空视角因子就能算；坏处是它默认天空各处一样亮，而真实天空在太阳附近和地平线附近都明显更亮。Perez 模型把这两块"额外的亮"显式建模出来，于是在朝向太阳的斜面上能多算回环日那一份，在朝向地平的方向上能体现地平亮带，整体更贴近实测。

定位上，可以把 Perez 模型理解为"散射转置的工业标准之一"。它不是唯一的各向异性模型，但因为系数完备、覆盖天空状态广、长期被验证，成为了 pvlib 等开源建模库里默认/常用的选择。对做新能源资源评估和发电预测的团队来说，它几乎是绕不开的一环。

方法 / 它做了什么

Perez 模型的出发点是把投到倾斜面上的扩散辐射，看成三个来源的叠加。第一部分是各向同性背景：假设天空有一个均匀亮度的底，按倾斜面能"看到"多少天空（视角因子）来分配。第二部分是环日亮区：太阳周围有一圈明显增亮的区域，主要由前向散射造成，当组件法向更朝着太阳时，这部分贡献更大。第三部分是地平亮带：靠近地平线的一圈天空通常比中天更亮，倾斜面对地平的可见程度不同，接收到的这部分也不同。

这三块怎么定量？关键在两个经验系数：环日系数 F1 与地平系数 F2。F1 描述环日各向异性的强度，F2 描述地平亮带各向异性的强度。它们都不是常数，而是随天空状态查表/插值得到——具体取决于天空清晰度参数 ε（clearness）和天空亮度参数 Δ（brightness），以及太阳天顶角。清晰度 ε 由 DHI、DNI 与太阳天顶角组合定义，用来区分阴天到晴空的连续状态；亮度 Δ 则刻画在给定清晰度下天空整体的明暗。换句话说，模型先根据当下是阴是晴、是亮是暗，挑出对应的 F1、F2，再用它们去加权环日和地平这两块散射。

这种"按天空状态调系数"的设计，正是各向异性的体现。各向同性模型不管天气如何，散射的空间分布都假设成一个样；Perez 模型则承认：大晴天环日很强、地平亮带也明显，阴天则天空趋于均匀甚至呈现出与晴天不同的分布特征，系数会随之变化。需要说明的一个细节是，地平系数在阴天/低清晰度时可以取到负值，这在物理上对应的是阴天天顶反而偏亮、地平相对变暗的情形——这也解释了为什么简单的"地平永远更亮"直觉在全天候建模里并不成立。

把散射这块算清楚后，倾斜面总辐照 POA 就是三项相加：直射分量用 DNI 乘以太阳光线与组件法向的入射角余弦；散射分量用上面 Perez 的三段式结果；地面反射分量用地面反照率 albedo 乘以 GHI 再乘以倾斜面对地面的视角因子。三项里，直射和地面反射相对直观，散射这一项才是 Perez 模型真正发力、也最能拉开与各向同性模型差距的地方。

关键结论

  1. Perez 1990 模型的核心贡献，是把倾斜面扩散辐射建模为各向同性背景 + 环日亮区 + 地平亮带三部分的叠加，而不是把天空当成亮度均匀的半球。
  2. 模型用环日系数 F1 与地平系数 F2 表达天空各向异性，二者随天空清晰度 ε 与亮度 Δ（以及太阳天顶角）变化，从而能适配从阴天到晴空的连续天空状态。
  3. 相比各向同性模型，Perez 模型对晴空与部分云况下的倾斜面散射刻画更准——这正是各向同性假设系统性失真的天况。
  4. 倾斜面总辐照由直射、散射、地面反射三项构成；论文聚焦并改进的是其中的散射转置环节。
  5. 工程实践中，Perez 模型已成为 pvlib 等主流工具的默认/常用转置模型之一（此条为业界经验，反映该模型被广泛采纳的现状）。

对新能源 / 运梦平台的意义

对光伏资源评估和发电量预测来说，转置环节的误差会一路传导到最终的发电量与收益测算。如果在转置这一步用了过于简化的各向同性假设，在高纬度、大倾角、固定朝南或追日支架等场景下，散射部分就会被系统性算偏，进而让整个项目的发电量基准从源头跑偏。选用 Perez 这类各向异性模型，本质上是在最敏感的环节上换取一份更可信的物理基础。

运梦平台的价值在于，它直接把 Perez 转置所需的输入备齐了。转置不能只靠一个 GHI——你需要把扩散辐射单独拿出来（DHI），需要法向直射（DNI），还需要总辐照（GHI）来算地面反射。运梦 API 同时提供 rsds（即 GHI）、dni、dhi 三个分量，再配合站点经纬度和时间用 SPA 算出太阳天顶角与方位角，Perez 模型所需的全部输入就齐了，不需要再额外做分解或近似。

数据来源上，运梦对历史与预报做了分工：历史辐照走 era5，覆盖长时间序列，适合做多年资源评估和典型气象年（TMY）构建；预报辐照走 ger（德国气象局），用于发电预测和短期调度。两套数据的字段口径一致，意味着你用同一套 Perez 转置代码，既能跑历史回算、也能跑未来预测，工程上只需切换 dataSourceId，转置与组件建模这层逻辑完全复用。

需要提醒的是，转置只是发电链路的一环。从 POA 到组件输出，后面还有温度修正、光谱与入射角损失、逆变器效率等环节；运梦的 tas（气温，单位为 °C）等字段可以接续进组件温度模型。把转置这块用 Perez 做扎实，是让后续每一步建模都站在可靠基准上的前提。

在运梦气象 API 上手

下面给一个最小可用的拉数示例：用 downloadSync 接口，从 ERA5 历史源取一段时间、某个站点的辐照三分量和气温。拿到 rsds/dni/dhi 后，结合 SPA 计算的太阳角与你的组件倾角/方位角，即可在本地用 Perez 模型完成转置得到 POA；要做预报版本，把 dataSourceId 换成 ger 即可，字段不变。

{
  "dataSourceId": "era5",
  "lat": 32.06,
  "lon": 118.79,
  "stime": "2025-06-01 00:00",
  "etime": "2025-06-01 23:00",
  "fields": ["rsds", "dni", "dhi", "tas"],
  "timezone": "8"
}

返回的 rsds、dni、dhi 单位均为 W/m²，tas 已后处理为 °C，可直接进入转置与组件温度模型，无需做单位换算。

常见问题

问：为什么不能直接拿 GHI 当作组件接收的辐照？ 答：GHI 是水平面上的总辐照，而组件几乎都有倾角。倾斜面接收到的直射、散射、地面反射都与水平面不同，必须经过转置才能得到 POA。直接用 GHI 会让发电量评估从源头偏离。

问：Perez 模型和各向同性模型最大的区别是什么？ 答：各向同性模型把天空当成亮度均匀的半球；Perez 模型把扩散辐射拆成各向同性背景、环日亮区、地平亮带三部分，并用随天空清晰度和亮度变化的系数加权，因此在晴空和部分云况下更准。

问：跑 Perez 转置最少需要哪些输入？ 答：需要扩散水平辐照 DHI、法向直射 DNI、总辐照 GHI（用于地面反射），加上由 SPA 算出的太阳天顶角与方位角，以及组件的倾角、方位角和地面反照率。运梦 API 的 rsds/dni/dhi 正好覆盖三个辐照分量。

问：历史评估和发电预测要用同一套转置代码吗？ 答：可以。运梦历史用 era5、预报用 ger，两者字段口径一致，转置与组件建模逻辑完全复用，工程上只需切换 dataSourceId。

问：转置算完 POA 就等于发电量了吗？ 答：不是。POA 之后还有组件温度修正、入射角与光谱损失、逆变器效率等环节。Perez 转置只是把"组件接收到多少辐照"这一步做准，是后续建模的基准而非终点。

引用与原文

Perez, R., Ineichen, P., Seals, R., Michalsky, J., & Stewart, R. (1990). Modeling daylight availability and irradiance components from direct and global irradiance. Solar Energy, 44(5), 271–289. DOI: 10.1016/0038-092X(90)90055-H