基于新型辅助光伏混合系统的丰田Mirai车载绿氢与纯氧制备技术及其性能研究

本文创新性地将半透明（STPV）与不透明（OPV）光伏板及电解槽集成于丰田Mirai氢燃料电池车，通过光学聚光系统提升太阳能转化效率，实现车载绿氢与纯氧制备。研究通过MATLAB建模仿真验证系统在高速（180 km/h）与高光强（40 suns）下可达3565.30 W发电量及169.5 L/h产氢能力，显著缓解燃料电池工作压力与补能限制，为氢能汽车可持续运行提供新范式。

　　

Hybrid system description

如图1a所示，混合动力丰田Mirai（HTM）保留了传统车型的核心部件，包括燃料电池（fuel cell）、FC功率转换器、电动机、两个储氢罐、功率控制单元和电池。为实现车载绿氢制备，该车额外配备了半透明太阳能板（STPV）、光学聚光器、不透明光伏板（OPV）、冷却通道组、质子交换膜电解槽（PEM electrolyzer）与小水箱、电流开关及水泵。

Mathematical modelling

为评估集成于丰田Mirai的混合STPV/OPV系统在车载氢气和纯氧制备中的性能，本研究开发了一套新的数学模型。需特别说明的是，该混合系统安装于车辆前引擎盖表面，并与其他部件热隔离，确保其不影响整车热行为。因此，本研究仅聚焦于混合系统自身的热电行为分析。

Results and discussion

本节在不同日照强度、聚光比和车速条件下，对混合动力丰田Mirai的热/电性能与经济性进行了分析与讨论。在正式分析前，通过独立验证STPV面板与电解槽子系统对数值模型进行了校准，以确保混合系统各组件建模的准确性。

Conclusions, prospects and challenges

本研究首次提出将混合STPV/OPV系统与电解槽集成于丰田Mirai的创新方案。该技术旨在辅助燃料电池在长时间运行中的能量供给。通过基于MATLAB的迭代求解数学模型，系统分析了太阳辐射强度、聚光比和车速对混合车辆性能的影响，并对其前景与挑战进行了总结。