JP2000087801A - コジェネレーション装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 エンジン発電装置を高い運転効率で運転でき
るようにすること。 【解決手段】 エンジン発電機１０の廃熱は熱交換器１
６で回収されて熱負荷１７で利用される。エンジン発電
機１０は熱需要が発生しているときにのみ定格出力運転
され、それ以外のときは停止している。すなわち、温度
検出器１９は熱負荷１７が予定温度以下に下がったとき
に熱要求信号ＨＲＱを出力し、コントローラ２０はこの
要求信号に応答してエンジン発電機１０を始動し、定格
運転させる。このように熱需要があったときにのみエン
ジン発電をするので余剰の熱をラジエータ等で捨てるこ
とがない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エンジン発電設備
を含むコジェネレーション装置に関し、特に、エンジン
発電設備の運転効率を高めることができるコジェネレー
ション装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、地球環境保護の必要性が喧伝さ
れ、自家発電設備としてのコジェネレーション装置や分
散型電源が注目されている。これらのコジェネレーショ
ン装置や分散型電源を有効に活用するためには、商用電
力系統や他の大規模な発電系統（以下総合的に、「商用
電力系統」という）との連系により電力需要の平準化が
なされている。

【０００３】この種のコジェネレーション装置におい
て、商用電力系統からの受電電力を一定に設定した状態
で、コジェネレーション装置の発電電力制御を行う場合
がある。この場合、夜間と日中との負荷電力の差が大き
いために、前記受電電力の設定値を一日の間において複
数段階で切換えることが行われていた。しかし、前記設
定値の切換えに人手を要することになり不便である。そ
こで、このような不便を解消するため、前記設定値の切
換えを簡素化することができる電力制御装置が提案され
ている（特開平５−３００６５２号公報）。この電力制
御装置では、負荷電力に対する商用電力系統からの受電
電力の割合が常に一定になるように発電電力を制御して
いる。

【０００４】また、特開平５−１２５９０５号公報に
は、熱需要が低下したときに、コジェネレーション装置
が分担する電気負荷のうち優先度の低いものから順番に
商用電力側で分担させるように切換えを行う装置が開示
されている。この装置では、熱需要が低下したときにコ
ジェネレーション装置の負荷を減らすことによって余分
な熱量の発生を抑えることができるので放熱装置が不要
になるという利点がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記公報に記載された
従来装置のうち前者のものでは、電気負荷の大きさに対
応してコジェネレーション装置を運転しているため、エ
ンジン発電装置から回収される廃熱が熱需要を上回った
ときは余分な熱量を放熱装置等で捨てることになる。ま
た、電気負荷の増減に対応して運転状態を制御するため
エンジン発電装置を常に高い効率の領域で運転し続ける
ことは容易ではなかった。

【０００６】一方、後者の装置では、余分な熱量を放熱
装置等で廃棄するという問題点は解消されている。しか
し、熱需要に合わせてコジェネレーション装置の発電出
力を制限して運転しているので、エンジン発電装置を高
い運転効率で運転し続けることは前者の装置以上に困難
であった。このように運転効率が低い状態でエンジン発
電装置を使用すると、燃料消費量が多くなり、また、排
気ガス中のＣＯ_２ やＮＯｘ濃度に悪影響を及ぼす要因
になる。

【０００７】本発明の目的は、エンジン発電装置から回
収した熱エネルギを無駄なく使用するとともに、高い運
転効率が得られる状態でエンジン発電装置を運転するこ
とができるようにしたコジェネレーション装置を提供す
ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明のコジェネレーシ
ョン装置は、エンジン発電機から回収された熱エネルギ
を消費する熱負荷から熱要求信号が供給されたときにエ
ンジン発電機を定格運転し、前記熱要求信号が消滅した
ときにエンジン発電機を停止させるコントローラを具備
した点に第１の特徴がある。

【０００９】また、本発明は、エンジン発電機から回収
された熱エネルギを消費する熱負荷からの熱要求信号
と、エンジン発電機に接続された電気負荷からの電力要
求信号とが供給されたときにエンジン発電機を定格運転
し、前記熱要求信号および電力要求信号の少なくとも一
方が消滅したときにエンジン発電機を停止させるように
構成した点に第２の特徴がある。

【００１０】上記特徴によれば、熱負荷および電気負
荷、または熱負荷のみからの要求があった場合にのみエ
ンジン発電機は運転される。また、このときの運転状態
は、エンジン発電機が、高い運転効率となるように適当
に設定された定格運転である。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明の一
実施形態を詳細に説明する。図１はエンジン発電機を商
用電力系統に連系させたコジェネレーション装置の構成
を示すブロック図である。エンジン発電機１０は、互い
に機械的に連結された（内燃）エンジン１１と発電機１
２を含み、エンジン１１が発電機１２を駆動してエンジ
ン回転数に応じた周波数および電圧の交流電流を発生す
る。前記電力変換装置１３で変換された発電機１２の出
力交流は商用電力系統１４と連系して電気負荷１５に接
続されている。

【００１２】電力変換装置１３は前記出力交流を商用電
力系統と同じ品質（ノイズ等に関して）の交流に変換
し、商用電力系統の位相と同期をとって連系させる機能
を有する。具体的には、発電機１２の出力交流を直流に
変換するコンバータ、およびコンバータで変換された直
流を商用電力系統の周波数に合致した交流に変換するイ
ンバータ、ならびにノイズフィルタおよび連系スイッチ
等の機能を有している。特公平４−１０３０２号公報に
系統連系用電力変換装置の一例が開示されている。

【００１３】エンジン１１は発電機１２を駆動すると熱
を発生する。この熱はエンジン１１に設けられた熱交換
器１６で回収されて熱負荷１７に供給される。熱負荷１
７は、例えば貯湯タンクであり、熱交換器１６を通過す
る管路１８内の冷却水を媒体として該熱負荷１７に熱量
が運搬される。熱負荷１７には温度検出器１９が設けら
れていて、この温度検出器１９によって熱負荷１７の熱
需要が管理される。コントローラ２０はエンジン１１に
起動指令および停止指令を供給する。温度検出器１９は
予め設定した基準温度よりも熱負荷１７の温度が低い場
合に熱要求信号ＨＲＱをコントローラ２０に供給する。

【００１４】図１とともに、図２のフローチャートを参
照してコントローラ２０の動作を説明する。コントロー
ラ２０は熱要求信号ＨＲＱが入力したか否かを監視して
おり（ステップＳ１）、該ステップＳ１は、熱要求信号
ＨＲＱが入力したならば肯定であり、熱要求信号ＨＲＱ
が入力されていないならば否定である。ステップＳ１が
肯定ならばステップＳ２に進んでエンジン１１に対して
定格出力起動指令を出力する。エンジン１１はこの定格
出力起動指令に応答し、定格運転を行う。なお、ここ
で、定格運転とは次のように自動制御された運転状態を
いう。すなわち、エンジン１１の熱効率が高い運転領域
と、発電機１２の発電効率の高い運転領域との均衡点ゾ
ーンを予め設定し、かつ、このゾーンの中で、ＮＯｘや
ＣＯ_２の発生を抑制する観点から選定した回転数を定速
回転目標値として制御される運転状態である。例えば、
エンジン回転数２０００ｒｐｍ、発電出力１．０ｋｗ、
熱量２０００ｋｃａｌとなるように制御される。ステッ
プＳ１が否定ならばステップＳ３に進んでエンジン１１
に対して停止指令を出力する。エンジン１１はこの停止
指令に応答して運転を停止する。

【００１５】エンジン発電機１０の定格出力が電気負荷
１５での要求電力と同じである場合は、商用電力系統１
４からの電力供給は必要ない。また、要求電力が定格出
力よりも大きい場合は不足分が商用電力系統１４から電
気負荷１５に供給され、定格出力が要求電力よりも大き
い場合は、余剰電力は商用電力系統１４に逆潮流され
る。

【００１６】この実施形態によれば、次の効果を奏す
る。 (a1)熱需要が発生したときにのみエンジン１１が定格運
転されるので制御が簡単である。 (a2)熱需要に応じてエンジン１１が駆動されるので、エ
ンジン１１で発生した熱は有効に利用され、特に、熱負
荷が貯湯タンク等であれば廃棄される熱が生じない。 (a3)エンジン１１および発電機１２の出力ならびにエン
ジン１１の熱出力の組合わせの最高効率に設定した定格
運転とすることも可能である。 (a4)熱需要の大きい寒冷地での使用等、熱需要の多い利
用形態においては、起動・停止は頻繁でないので本実施
形態のコジェネレーション装置は特に有効に利用でき
る。

【００１７】上記実施形態では、商用電力系統との連系
のために電力変換装置１３を使用したシステムを構成し
た。しかし、本発明はこれとは異なる電力変換手段を使
用したシステムとして構成することもできる。次に、本
発明の第２実施形態としての、他の電力変換手段を使用
したシステムを説明する。

【００１８】図３は、第２実施形態に係るコジェネレー
ション装置の構成を示すブロック図であり、図１と同符
号は同一または同等部分を示す。エンジン発電機１０の
発電機１２の出力交流はコンバータ２１で第１電圧Ｖeg
の直流に変換され、逆流防止ダイオード２２を介してイ
ンバータ２３の入力に供給される。

【００１９】ゲート制御部２８は予め与えられた目標ま
たは設定電圧Ｖeg0 （例えば１９０ボルト）と前記第１
電圧Ｖegとを供給され、コンバータ２１の、計測された
実出力電圧Ｖegが前記設定電圧Ｖeg0 に等しくなるよう
に、公知の適宜の手法で、コンバータ２１を構成するサ
イリスタの導通を制御する。このような構成により、コ
ンバータ２１の、ある予定の出力電流範囲においては、
コンバータ２１の出力電圧Ｖegが前記設定電圧Ｖeg0 に
保持される。

【００２０】一方、商用電力系統１４からの交流もコン
バータ２４で第２電圧Ｖac（例えば１８０ボルト）の直
流に変換され、逆流防止ダイオード２５を介してインバ
ータ２３の入力に供給される。インバータ２３の入力に
は平滑コンデンサ２６が接続される。インバータ２３に
入力された直流電流は所望周波数（例えば５０ヘルツ）
の交流電流に変換され、その出力は電気負荷１５に接続
される。ゲート制御部２７は前記ゲート制御部２８と同
様にして整流直流電圧Ｖacが設定電圧Ｖac0 に等しくな
るように、コンバータ２４のサイリスタの導通を制御す
る。

【００２１】エンジン発電機１０に設けられた熱交換器
１６にはポンプ２７によって冷却水が循環されていて、
エンジン発電機１０の主としてエンジン１１で発生した
熱を管路１８を通じて熱負荷１７に回収する。温度検出
器１９は熱負荷１７の温度が設定温度（例えば８０°
Ｃ）以下にあるときにはコントローラ２０に、熱要求信
号ＨＲＱを供給し、熱負荷１７の温度が設定温度以上に
あれば熱要求信号ＨＲＱを供給しない。コントローラ２
０の動作は上述の第１実施形態と同じである。

【００２２】このように、熱負荷１７の温度が設定値以
上であればエンジン発電機１０は駆動されない。この場
合、エンジン発電機１０の出力電圧は「０」であり、し
たがってコンバータ２１の直流出力電圧Ｖegが商用電源
の出力Ｖacよりも低いので、ダイオード２２は逆バイア
ス状態であり、エンジン発電機１０は電気負荷１５を全
く負担しない。

【００２３】熱負荷１７の温度が設定値以下になってエ
ンジン発電機１０が定格出力で駆動されると、上述のよ
うに、商用電源の直流出力電圧Ｖac0 よりもエンジン発
電機１０の直流出力電圧Ｖeg0 の方が高く設定されてい
る場合には、コンバータ２１の直流出力電圧Ｖegが商用
電源の出力Ｖacよりも高くなり、商用電源側のダイオー
ド２５が逆バイアスになってその導通が阻止される一
方、ダイオード２２が順バイアスとなるので、インバー
タ３０を介する電気負荷１５への電力供給は専らエンジ
ン発電機１０でまかなわれ、不足のみが商用電力系統１
４から電気負荷１５へ供給される。このような構成は、
電気負荷１５の大きさがエンジン発電機１０の出力より
も大きいときに発電出力が無駄とならないため、きわめ
て有用である。

【００２４】次に、本発明の第３実施形態を説明する。
上述の実施形態では熱需要があったときにエンジン発電
機１０を駆動するようにした。さらに、この第３実施形
態では、熱需要に加えて電力需要があったときにエンジ
ン発電機１０を駆動する。図４は、第３実施形態に係る
コジェネレーション装置の構成を示すブロック図であ
り、図１と同符号は同一または同等部分を示す。同図に
おいて、電力需要検出装置２９は予め設定した基準値よ
りも電気負荷１５が大きい場合に電力要求信号ＥＲＱを
コントローラ２０に供給する。なお、電気負荷１５の大
きさは、例えば、電気負荷１５の電源供給ラインに流れ
る電流を検出することで判断することができる。温度検
出器１９は第１実施形態と同じに動作する。

【００２５】図４とともに、図５のフローチャートを参
照してコントローラ２０の動作を説明する。コントロー
ラ２０は熱要求信号ＨＲＱおよび電力要求信号ＥＲＱが
入力したか否かを監視している（ステップＳ１０）。ス
テップＳ１０は、熱要求信号ＨＲＱが入力したならば肯
定であり、熱要求信号ＨＲＱが入力されていないならば
否定である。ステップＳ１０が肯定ならばステップＳ２
０に進み、電力要求信号ＥＲＱが入力したか否かを判定
する。電力要求信号ＥＲＱが入力したならば肯定であ
り、電力要求信号ＥＲＱが入力されていないならば否定
である。

【００２６】ステップＳ２０が肯定ならばステップＳ３
０に進んでエンジン１１に対して定格出力起動指令を出
力する。エンジン１１はこの定格出力起動指令に応答
し、最大の効率が得られるように予め設定した定格エン
ジン回転数で定格運転を行う。ステップＳ１０およびス
テップＳ２０の少なくとも一方が否定ならばステップＳ
４０に進んでエンジン１１に対して停止指令を出力す
る。エンジン１１はこの停止指令に応答して運転を停止
する。

【００２７】この第３実施形態では、電気負荷１５と熱
負荷１７の双方から要求信号が入力されなければエンジ
ン発電機１０は駆動されない。したがって、前記電力需
要検出のための基準値よりも小さい電力需要に関して
は、商用電力系統１４がこの電気負荷を負担する。ま
た、エンジン発電機１０が駆動された場合でも、エンジ
ン発電機１０の定格出力よりも電気負荷１５の方が大き
い場合は商用電力系統１４からの電力によってバックア
ップされる。

【００２８】さらに、エンジン発電機１０の定格出力よ
りも電気負荷１５の方が小さい場合は、余剰分の電力は
商用電力系統１４に逆潮流する。なお、余剰分の電力を
発生させないため、電力負荷１５がエンジン発電機１０
の定格電流より小さい場合には、電力要求信号ＥＲＱが
出力されないように前記電力需要検出器２９での判断の
ための基準値を設定することもできる。

【００２９】一方、この第３実施形態においては、熱需
要があっても電力需要が予定値以上でない場合はエンジ
ン発電機１０は駆動されないので、熱需要に応じるため
追焚きボイラ３０を設けることが望ましい。ボイラ３０
を設けた場合には、前記熱要求信号ＨＲＱが出力されて
いて、電力要求信号ＥＲＱが出力されていない場合に起
動信号を出力するようにした回路３１を設ける。

【００３０】なお、前記電力要求信号ＥＲＱと熱要求信
号ＨＲＱがコントローラ２０に入力するタイミングによ
っては、エンジン１１がチャタリングを起こして運転が
不安定となることが考えられる。そこで、コントローラ
２０に次のような機能を持たせるとよい。第１に、一旦
起動信号を出力した後は電力要求信号ＥＲＱおよび熱要
求信号ＨＲＱのいずれか一方が消滅した場合でもエンジ
ン１１の運転を予定時間継続する。第２に、電力要求信
号ＥＲＱおよび熱要求信号ＨＲＱが、それぞれ予定時間
以上継続したときに有効と判断するようにする。第３に
電力要求信号ＥＲＱおよび熱要求信号ＨＲＱをそれぞれ
オンにするための基準値と、電力要求信号ＥＲＱおよび
熱要求信号ＨＲＱをそれぞれオフにするための基準値と
に差を設けておく。これらの少なくとも一つの処置によ
ってチャタリングを防止することができる。

【００３１】この第３実施形態によれば、第１および第
２実施形態による効果に加えて次の効果を奏する。 (b1)エンジン１１で発生した熱が有効に利用されて廃棄
される熱が生じないだけでなく、電力需要をもエンジン
１１の駆動条件としているので余剰の電力を生ずること
もない。 (b2)熱需要および電気需要がともに大きいような利用形
態においては、起動・停止は頻繁に行われないので特に
有効に利用できる。 (b3)) 追焚きボイラ３０の設置と商用電力系統１４との
連系とにより、エンジン発電機１０が運転されていない
場合のエネルギ供給を確保できる。

【００３２】上述の実施形態では商用電力系統１４との
連系を前提としたが、電気負荷１５をエンジン発電機１
０の定格出力で負担できる大きさに固定したシステムで
は、連系は必ずしも必須ではない。また、エンジン発電
設備を商用電力系統に連系する場合に限らず、比較的小
容量のエンジン発電設備を大規模な自家発電設備などに
連系する場合にも本発明が適用できることは明らかであ
る。

【００３３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、次の効果が期待できる。 (1) 需要が生じたときにのみエンジン発電機を駆動する
ようにしたので、熱や電力が余ることがなくなる。 (2) エンジン発電機は定格運転するだけなので制御が簡
単であるし、エンジンおよび発電機の出力ならびにエン
ジンの熱出力の組合わせの最適な効率の下で定格運転す
ることができる。 (3) 自家消費するだけのエネルギを出力すればよいの
で、小出力のコジェネレーション装置とすることができ
る。特に、商用電力系統との連系により、電力需要にか
かわらず熱需要による定格運転をすることができるの
で、熱需要の大きい寒冷地での使用、例えばセントラル
ヒーティングを導入する家庭用エネルギ供給源としてき
わめて有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施形態を示すブロック図であ
る。

【図２】 本発明の第１実施形態の処理を示すフローチ
ャートである。

【図３】 本発明の第２実施形態を示すブロック図であ
る。

【図４】 本発明の第３実施形態を示すブロック図であ
る。

【図５】 本発明の第３実施形態の処理を示すフローチ
ャートである。

【符号の説明】

１０…エンジン発電機、 １１…エンジン、 １２…発
電機、 １３…電力変換装置、 １４…商用電力系統、
１５…電気負荷、 １６…熱交換器、 １７…熱負
荷、 １９…温度検出器、 ２０…コントローラ、 ２
９…電力需要検出装置、 ３０…ボイラ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エンジン発電機と、 前記エンジン発電機の廃熱を回収し、外部熱負荷に熱エ
   ネルギを供給する熱交換器と、 前記熱負荷から熱要求信号が供給されたときに前記エン
   ジン発電機を予め設定した条件で定格運転し、前記熱要
   求信号が消滅したときに前記エンジン発電機を停止させ
   るコントローラとを具備したことを特徴とするコジェネ
   レーション装置。
2. 【請求項２】 前記熱負荷の温度が予定値以下になった
   ときに前記熱要求信号を出力する温度検出手段を具備し
   たことを特徴とする請求項１記載のコジェネレーション
   装置。
3. 【請求項３】 前記コントローラは、電気負荷の有無に
   かかわらず前記熱要求信号が供給されたときに前記エン
   ジン発電機を定格運転し、前記熱要求信号が消滅したと
   きに前記エンジン発電機を停止させるように構成されて
   いることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のコ
   ジェネレーション装置。
4. 【請求項４】 外部電気負荷に電力を供給するエンジン
   発電機と、 前記エンジン発電機の廃熱を回収し、外部熱負荷に熱エ
   ネルギを供給する熱交換器と、 前記熱負荷からの熱要求信号および前記電気負荷からの
   電力要求信号が供給されたときに前記エンジン発電機を
   予め設定した条件で定格運転し、前記熱要求信号および
   電力要求信号の少なくとも一方が消滅したときに前記エ
   ンジン発電機を停止させるコントローラとを具備したこ
   とを特徴とするコジェネレーション装置。
5. 【請求項５】 前記熱負荷の温度が予定値以下になった
   ときに前記熱要求信号を出力する温度検出手段と、 前記電気負荷が予定値以上になったときに前記電力要求
   信号を出力する電力需要検出手段とを具備したことを特
   徴とする請求項４記載のコジェネレーション装置。
6. 【請求項６】 前記エンジン発電機の出力電力系統と商
   用電力系統とを連系させたことを特徴とする請求項１な
   いし請求項５のいずれかに記載のコジェネレーション装
   置。
7. 【請求項７】 前記エンジン発電機の出力電力系統と商
   用電力系統とを連系させるとともに、 前記熱負荷に熱エネルギを供給するボイラをさらに具備
   し、 前記熱要求信号および電力要求信号のうち熱要求信号の
   みが出力されたときに前記ボイラを起動するように構成
   したことを特徴とする請求項４または請求項５記載のコ
   ジェネレーション装置。