JP2004169602A - コージェネレーションシステム、及びコージェネレーションシステム制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】総合効率を低下させることなく、温水熱量の過不足を解消するコージェネレーションシステムを提供する。
【解決手段】電力負荷量の状況に応じて出力制御手段１９からの指令を受けて発電する発電装置１と、発電装置１で発生する熱を回収する排熱回収経路４と、排熱回収経路４で回収された熱を温水として貯える貯湯タンク１０と、貯湯タンク１０で貯えられた温水の熱を利用して暖房を行う温水暖房装置１８と、電力負荷２２、２３の一つとしての電気暖房装置２４と、制御装置２５とを備え、制御装置２５によって、合計熱負荷量に対する合計電力負荷量の比率が大きくなった時に暖房負荷要求量における温水暖房装置１８の負荷量比率を大きくし、合計熱負荷量に対する合計電力負荷量の比率が小さくなった時に暖房負荷要求量における電気暖房装置２４の負荷量比率を大きくするような暖房制御を行う。
【選択図】 図１
【解決手段】電力負荷量の状況に応じて出力制御手段１９からの指令を受けて発電する発電装置１と、発電装置１で発生する熱を回収する排熱回収経路４と、排熱回収経路４で回収された熱を温水として貯える貯湯タンク１０と、貯湯タンク１０で貯えられた温水の熱を利用して暖房を行う温水暖房装置１８と、電力負荷２２、２３の一つとしての電気暖房装置２４と、制御装置２５とを備え、制御装置２５によって、合計熱負荷量に対する合計電力負荷量の比率が大きくなった時に暖房負荷要求量における温水暖房装置１８の負荷量比率を大きくし、合計熱負荷量に対する合計電力負荷量の比率が小さくなった時に暖房負荷要求量における電気暖房装置２４の負荷量比率を大きくするような暖房制御を行う。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電装置において電気とともに発生する熱を回収して温水として供給するコージェネレーションシステム、及びコージェネレーションシステム制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、省エネルギー性の観点から、電気と熱を同時に発生させエネルギー利用率を高めるという目的で、コージェネレーションシステムが様々な分野で使用されるようになってきた。このコージェネレーションシステムのメリットを充分生かすためには、発生する電気と熱を過不足なく１００％使用することが望ましい。たとえば、一般家庭で１日に使用する電力量と熱（温水）量に対し、システムが発生する熱量の比率が多ければ、熱が余る（捨てる）こととなり、エネルギーを充分有効に使うことができない。また、反対にシステムが発生する電力量の比率が多ければ、電気を全て供給した後に熱量が不足し、何らかの追い焚き加熱をする必要が出てきて、エネルギーを余分に必要とする。
【０００３】
すなわち、コージェネレーションシステムの熱出力と電力出力の比率である熱電比を、使用する熱負荷量と電力負荷量に一致させることが、省エネルギー性の観点から肝要である。
【０００４】
このように熱電比を使用する熱負荷量と電力負荷量とに一致させる手段を持った従来のコージェネレーションシステムは、図２のような構成をしていた（例えば特許文献１参照。）。すなわち、５１は水素供給手段としての燃料処理器で、改質器５２、ＣＯ変成器５３およびＣＯ除去器５４を備え、酸素供給手段としての送風機５５とともに燃料電池５６に接続されている。５７は改質器５２に設けられたバーナで、一方を燃料電池５６に接続された未反応ガス管路５８と、バーナ送風機５９と、途中に熱交換器６０を設けた排気ガス管路６１とが接続されている。６２、６３はそれぞれポンプ６４、６５を備えタンク６６に接続された冷却水経路で、それぞれ燃料電池５６と熱交換器６７に連通されている。６８は給水路６９と給湯路７０を備えた貯湯タンクで、ポンプ７１、７２をそれぞれ備えた貯湯経路７３、７４を介して、それぞれ熱交換器６７、６０に接続されている。給湯路７０には温水を使用する端末としての給湯負荷７５、７６が接続されている。７７は燃料電池５６に電気的に接続された出力制御手段で、電力を使用する端末としての電力負荷７８、７９に接続されている。
【０００５】
つぎに、この従来のコージェネレーションシステムの動作について説明する。改質器５２に供給された原燃料は、バーナ５７の燃焼によって加熱され、改質反応で水素リッチガスへ変換され、ＣＯ変成器５３およびＣＯ除去器５４で一酸化炭素を取り除いた後、燃料電池５６へ供給される。燃料電池５６では、水素リッチガス中の水素と、送風機５５から供給された空気中の酸素とが反応し、直流電力が発生し、出力制御手段７７で交流電力に変換された後、家庭などの電力負荷７８、７９に供給される。一方、燃料電池５６で発電する時に発生する熱は、ポンプ６４、６５による冷却水の循環によって、冷却水経路６２〜タンク６６〜冷却水経路６３〜熱交換器６７の順に伝えられ、熱交換器６７で熱交換された後、ポンプ７１による水の循環によって、貯湯経路７３を介して貯湯タンク６８に伝えられ、温水として貯えられる。ここで貯えられた温水は、給湯路７０から家庭などの給湯負荷７５、７６に供給される。燃料電池５６へ供給された水素リッチガスの内、反応に使われなかった水素オフガスは、未反応ガス管路５８を通ってバーナ５７に供給され、バーナ送風機５９から供給される空気と混合し燃焼される。この時発生する燃焼排気ガスは、排気ガス管路６１を通って排出されるが、途中の熱交換器６０で熱交換され、貯湯経路７４のポンプ７２による水の循環によって、貯湯タンク６８内に温水として熱回収される。
【０００６】
この従来のコージェネレーションシステムでは、バーナ送風機５９の送風量を制御することによって、ある程度の熱出力と電力出力との比率である熱電比を変化させることができる。すなわち、送風量を多くすると改質器５２内を通過する燃焼ガスの流速が速くなり十分熱交換されず、改質反応として与えられる熱量が低下し水素発生量が少なくなるため電力出力が低下する。一方、燃焼排気ガスの流量は増加するため熱交換器６０で回収される排熱量は増加し、熱出力が増加することとなり、その結果熱電比を変化させることができる。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−６３９２４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のコージェネレーションシステムで熱電比を変化させる場合、バーナ送風機５９の送風量を増加させると、同じ原燃料の入力エネルギーに対する総合出力（電力出力＋熱出力）が低下する、すなわち総合効率が低下するという課題があった。
【０００９】
これは以下の理由による。送風量を増加させた時、改質反応として与えられる熱量が低下し、その分の熱量を燃焼排気ガスの熱交換で全て回収できれば総合出力は変わらないが、実際にはシステム外へ排出される燃焼排気ガスの温度Ｔ２はバーナ送風機５９の吸気温度である機器周囲温度Ｔ１より高い（無限大の熱交換面積を持つ熱交換器を使わない限りＴ２＝Ｔ１とはならない）ため、燃焼排気ガスの流量が増加するとシステム外へ持ち出される熱量も増加するものである。そのため、電力出力減少分のエネルギーの熱出力増加は見込めないので、総合効率は低下するものである。
【００１０】
本発明は、上記従来の課題を考慮し、総合効率を低下させることなく、家庭などの熱負荷量と電力負荷量との比率に、発電装置の熱出力と電力出力との比率である熱電比を適応させるコージェネレーションシステムを提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、第１の本発明は、電力負荷量の増減に応じて出力を制御する出力制御手段（図１の１９）からの制御に基づいて出力が制御されて発電する発電装置（図１の１）と、
前記発電装置（図１の１）で発生する熱を回収する排熱回収経路（図１の４）と、
前記排熱回収経路（図１の４）で回収された熱を温水として貯える貯湯タンク（図１の１０）と、
前記貯湯タンク（図１の１０）で貯えられた温水の熱を利用して暖房を行う温水暖房装置（図１の１８）と、
前記発電装置（図１の１）で発電された電力を利用して暖房を行う電気暖房装置（図１の２４）と、
制御装置（図１の２５）とを備え、
前記電気暖房装置（図１の２４）及び前記温水暖房装置（図１の１８）以外の電力負荷（図１の２２、及び２３）及び熱負荷（図１の１３、及び１４）が接続されているコージェネレーションシステムであって、
前記制御装置（図１の２５）は、前記温水暖房装置（図１の１８）及び前記熱負荷の合計負荷量である合計熱負荷量に対する、前記電気暖房装置（図１の２４）及び前記電力負荷の合計負荷量である合計電力負荷量の比率が大きくなった時に、暖房負荷要求量における前記温水暖房装置（図１の１８）の負荷量比率を大きくするよう制御し、前記合計熱負荷量に対する前記合計電力負荷量の比率が小さくなった時に前記暖房負荷要求量における前記電気暖房装置（図１の２４）の負荷量比率を大きくするよう制御するコージェネレーションシステムである。 また、第２の本発明は、前記制御装置（図１の２５）は、前記合計熱負荷量と前記合計電力負荷量との比率が、前記発電装置（図１の１）の熱出力と電力出力との比率である熱電比に適応するように、前記温水暖房装置（図１の１８）と前記電気暖房装置（図１の２４）の負荷量比率を設定する第１の本発明のコージェネレーションシステムである。
【００１２】
また、第３の本発明は、前記制御装置（図１の２５）は、前記暖房負荷を除く一日の熱負荷量と電力負荷量との比率を前日までの状況から予測し、前記合計熱負荷量と前記合計電力負荷量との比率が前記発電装置（図１の１）の熱出力と電力出力との比率である熱電比に適応させるようにする第２の本発明のコージェネレーションシステムである。
【００１３】
また、第４の本発明は、電力負荷量の増減に応じて出力を制御する出力制御手段（図１の１９）からの制御に基づいて出力が制御されて発電する発電装置（図１の１）と、
前記発電装置（図１の１）で発生する熱を回収する排熱回収経路（図１の４）と、
前記排熱回収経路（図１の４）で回収された熱を温水として貯える貯湯タンク（図１の１０）と、
前記貯湯タンク（図１の１０）で貯えられた温水の熱を利用して暖房を行う温水暖房装置（図１の１８）と、
前記発電装置で発電された電力を利用して暖房を行う電気暖房装置（図１の２４）と、
制御装置（図１の２５）とを備え、
前記電気暖房装置（図１の２４）及び前記温水暖房装置（図１の１８）以外の電力負荷及び熱負荷が接続されているコージェネレーションシステムであって、前記制御装置（図１の１５）は、変動する電力負荷量に対して、前記電気暖房装置（図１の２４）の負荷量を調整し、前記電力負荷及び前記電気暖房装置（図１の２４）の負荷の合計負荷量である合計電力負荷量が一定になるように、前記温水暖房装置（図１の１８）と前記電気暖房装置（図１の２４）との負荷量比率を制御するコージェネレーションシステムである。
【００１４】
また、第５の本発明は、前記温水暖房装置（図１の１８）への温水供給は、前記貯湯タンク（図１の１０）内の熱交換器（図１の１６）で間接加熱された暖房循環経路（図１の１５）によって行われる第１〜４の本発明のいずれかのコージェネレーションシステムである。
【００１５】
また、第６の本発明は、前記温水暖房装置（図１の１８）と前記電気暖房装置（図１の２４）は一体化されている第１〜４の本発明のいずれかのコージェネレーションシステムである。
【００１６】
また、第７の本発明は、前記発電装置（図１の１）は、水素と酸素とを反応させて発電を行う燃料電池である第１〜４の本発明のいずれかのコージェネレーションシステムである。
【００１７】
また、第８の本発明は、電力負荷量の増減に応じて出力を制御する出力制御手段からの制御に基づいて出力が制御されて発電する発電装置と、
前記発電装置で発生する熱を回収する排熱回収経路と、
前記排熱回収経路で回収された熱を温水として貯える貯湯タンクと、
前記貯湯タンクで貯えられた温水の熱を利用して暖房を行う温水暖房装置と、前記発電装置で発電された電力を利用して暖房を行う電気暖房装置とを備え、前記電気暖房装置及び前記温水暖房装置以外の電力負荷及び熱負荷が接続されているコージェネレーションシステムを制御するコージェネレーションシステム制御方法であって、
前記温水暖房装置及び前記熱負荷の合計負荷量である合計熱負荷量に対する、前記電気暖房装置及び前記電力負荷の合計負荷量である合計電力負荷量の比率が大きくなった時に、暖房負荷要求量における前記温水暖房装置の負荷量比率を大きくするよう制御し、前記合計熱負荷量に対する前記合計電力負荷量の比率が小さくなった時に前記暖房負荷要求量における前記電気暖房装置の負荷量比率を大きくするよう制御するコージェネレーションシステム制御方法である。
【００１８】
また、第９の本発明は、電力負荷量の増減に応じて出力を制御する出力制御手段からの制御に基づいて出力が制御されて発電する発電装置と、
前記発電装置で発生する熱を回収する排熱回収経路と、
前記排熱回収経路で回収された熱を温水として貯える貯湯タンクと、
前記貯湯タンクで貯えられた温水の熱を利用して暖房を行う温水暖房装置と、
前記発電装置で発電された電力を利用して暖房を行う電気暖房装置とを備え、
前記電気暖房装置及び前記温水暖房装置以外の電力負荷及び熱負荷が接続されているコージェネレーションシステムを制御するコージェネレーションシステム制御方法であって、
変動する電力負荷量に対して、前記電気暖房装置の負荷量を調整し、前記電力負荷及び前記電気暖房装置の負荷の合計負荷量である合計電力負荷量が一定になるように、前記温水暖房装置と前記電気暖房装置との負荷量比率を制御するするコージェネレーションシステム制御方法である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面にもとづいて説明する。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるコージェネレーションシステムのシステム構成図である。図１において、１は、発電装置の一例としての燃料電池で、水素供給手段としての燃料処理器２と、酸素供給手段としての送風機３とが接続されている。４は、冷却水循環ポンプ５を備えた冷却水経路６と、貯湯循環ポンプ７を備えた貯湯経路８とからなる排熱回収経路である。冷却水経路６の一方は燃料電池１に、もう一方は排熱交換器９に接続され、貯湯経路８の一方は貯湯タンク１０に、もう一方は排熱交換器９に接続されている。貯湯タンク１０には給水路１１と給湯路１２が設けられ、給湯路１２には温水を使用する端末としての給湯負荷１３、１４が接続されている。また、貯湯タンク１０内には暖房循環経路１５の加熱手段の一例としての熱交換器１６が設けられている。暖房循環経路１５は暖房循環ポンプ１７を備え、温水を使用する端末としての温水暖房装置１８に接続されている。１９は、燃料電池１に電気的に接続された出力制御手段で、電力負荷検知手段２０を備えた電力供給ライン２１を介して、電力を使用する端末としての電力負荷２２、２３および電力負荷の一つとしての電気暖房装置２４に接続されている。２５は、出力制御手段１９、温水暖房装置１８、電気暖房装置２４などを制御する制御装置である。なお、温水暖房装置１８と電気暖房装置２４は、使用者にとっては同じ暖房の用途に使うものであるため、１つのパッケージ内に一体化することが望ましい。
【００２１】
つぎに、本実施の形態１における動作を説明する。発電装置の一例としての燃料電池１には、水素供給手段としての燃料処理器２から水素が、酸素供給手段としての送風機３から空気中の酸素が供給され、この水素と酸素とが反応し直流電力が発生する。出力制御手段１９は、燃料電池１で発生した直流電力を交流電力に変換し電力供給ライン２１を通じて供給するとともに、電力負荷検知手段２０で検知された電力負荷２２、２３および電気暖房装置２４などの電力負荷量の状況に応じて燃料電池１の発電出力を制御する。一方、燃料電池１で発電する時に発生する熱は、冷却水循環ポンプ５による冷却水の循環によって冷却水経路６から排熱交換器９に伝えられ、排熱交換器９で熱交換された後、貯湯循環ポンプ７による水の循環によって、貯湯経路８を介して貯湯タンク１０内に伝えられ、温水として貯えられる。ここで貯えられた温水は、給湯路１２から家庭などの給湯負荷１３、１４に供給される。また、貯湯タンク１０内に貯えられた温水の熱は、熱交換器１６で暖房循環経路１５に熱交換（間接加熱）され、暖房循環ポンプ１７による水の循環によって温水暖房装置１８に伝えられる。温水暖房装置１８では温水と空気とを熱交換し、家庭などの室内の空気を加熱する暖房器として使用されるものである。これらの電気暖房装置２４と温水暖房装置１８を制御する暖房制御をはじめとする一連の制御は、制御装置２５によって行われるものである。
【００２２】
つぎに、本実施の形態１における電力供給と熱供給の運転方法について説明する。燃料電池１の発電運転制御は、電力負荷検知手段２０で検知された家庭などの電力負荷２２、２３および電気暖房装置２４の合計電力負荷量の状況に応じて電力出力を制御する。一方、家庭の風呂や洗面所などで温水を使用する場合は、貯湯タンク１０内に貯えられた温水を供給する。また、家庭の室内などを暖房する場合は、貯湯タンク１０に貯えられた温水の熱を利用して加熱を行う。これらの電力供給と熱供給は、いわゆる電主熱従と呼ばれる運転方法で行われる。すなわち、合計電力負荷量に応じて発電運転を行い、発生する熱は成り行きで貯湯タンク１０に貯えられるものである。したがって、給湯負荷量と温水暖房負荷量を合算した合計熱負荷量に対し、貯湯タンク１０内に貯えられる温水熱量（熱出力）は必ずしも一致しない。合計熱負荷量が温水熱量（熱出力）より多い場合は、別の加熱手段でバックアップする必要があり、また、温水熱量（熱出力）が合計熱負荷量より多い場合は、温水熱量を外部に放出する必要がある。そこで、合計熱負荷量と合計電力負荷量との比率が、コージェネレーションシステムの熱出力と電力出力との比率である熱電比に適応することが望ましい。
【００２３】
本実施の形態１におけるコージェネレーションシステムの暖房制御では、制御装置２５によって、合計熱負荷量に対する合計電力負荷量の比率が大きくなった時に暖房負荷要求量における温水暖房装置１８の負荷量比率を大きくし、合計熱負荷量に対する合計電力負荷量の比率が小さくなった時に暖房負荷要求量における電気暖房装置２４の負荷量比率を大きくするものである。
【００２４】
以下に、もう少し具体的な暖房制御の説明を行う。電力負荷２２の電力負荷量をＥ１、電力負荷２３の電力負荷量をＥ２、電気暖房装置２４の電力負荷量をＥｄとすると、合計電力負荷量Ｅｔは、Ｅｔ＝Ｅ１＋Ｅ２＋Ｅｄで表され、電力出力Ｅｏは、この合計電力負荷量Ｅｔに一致するように制御される。一方、給湯負荷１２の熱負荷量をＨ１、給湯負荷１３の熱負荷量をＨ２、温水暖房装置１８の熱負荷量をＨｄとすると、合計熱負荷量Ｈｔは、Ｈｔ＝Ｈ１＋Ｈ２＋Ｈｄで表される。いま、熱出力Ｈｏが合計熱負荷Ｈｔに一致するようにバランスしていると仮定すると、Ｅ１やＥ１が大きくなりＥｔが大きくなった場合、Ｅｏも増加するように制御される。この時、熱出力Ｈｏと電力出力Ｅｏとの比率である熱電比Ｈｏ／Ｅｏは機器の特性として一定であるため、Ｅｏの増加とともに必然的にＨｏも増加し、Ｈｏ＞Ｈｔとなりバランスが崩れる。そこで、暖房負荷要求量Ｄ＝Ｅｄ＋Ｈｄにおいて、温水暖房装置１８の熱負荷量Ｈｄの比率を大きくし、電気暖房装置２４の電力負荷量Ｅｄの比率を小さくする。その結果、合計熱負荷量Ｈｔは増加し、合計電力負荷量Ｅｔは減少する。
【００２５】
望ましくは、Ｈｔ／Ｅｔ＝Ｈｏ／Ｅｔに一致するように制御する。上記とは逆にＥ１やＥ１が小さくなりＥｔが小さくなった場合、温水暖房装置１８の熱負荷量Ｈｄの比率を小さくし、電気暖房装置２４の電力負荷量Ｅｄの比率を大きくする。その結果、合計熱負荷量Ｈｔは増加し、合計電力負荷量Ｅｔは減少する。同様に、Ｈｔ／Ｅｔ＝Ｈｏ／Ｅｔに一致するように制御することが望ましい。
【００２６】
次に、さらに具体的な暖房制御の説明を行う。図３に各パラメータの説明を示す。
【００２７】
今、コージェネレーションシステムの総合出力をＱとすると、総合出力はコージェネレーションシステムの電力出力と熱出力との和である。すなわち、次の数１が成立する。
【００２８】
【数１】
Ｑ＝Ｅ０＋Ｈ０
図３に示すように、仮にコージェネレーションシステムの熱電比を１：１とすると、次の数２が成立する。
【００２９】
【数２】
Ｈ０＝Ｅ０
また、上記と同様に暖房負荷量をＤ、電気暖房負荷量をＥｄ、温水暖房負荷量をＨｄとすると、次の数３が成立する。
【００３０】
【数３】
Ｄ＝Ｅｄ＋Ｈｄ
また、暖房負荷要求量以外の電力負荷量をＸ、暖房負荷以外の熱負荷量をＹとする。コージェネレーションシステムの電力出力Ｅ０は、電気暖房負荷量Ｅｄと電力負荷量Ｘとの和に等しく、またコージェネレーションシステムの熱出力Ｈｄは、温水暖房負荷量Ｈｄと熱負荷量Ｙとの和に等しいので、次の数４が成立する。
【００３１】
【数４】
Ｅ０＝Ｅｄ＋Ｘ
Ｈ０＝Ｈｄ＋Ｙ
ここで数３、数４よりＨｄを消去すると、次の数５が成立する。
【００３２】
【数５】
Ｅ０＝Ｅｄ＋Ｘ
Ｈ０＝（Ｄ−Ｅｄ）＋Ｙ
数２を数５に代入して、Ｈ０を消去すると、次の数６が成立する。
【００３３】
【数６】
Ｅ０＝Ｅｄ＋Ｘ
Ｅ０＝（Ｄ−Ｅｄ）＋Ｙ
図３に示すように、コージェネレーションシステムの電力出力Ｅ０が５Ｋｗ、コージェネレーションシステムの熱出力Ｈ０が５Ｋｗ、暖房負荷量Ｄが２Ｋｗ、電力負荷量Ｘが４Ｋｗ、熱負荷量Ｙが４Ｋｗである場合には、これらの数値を数６に代入して、次の数７が成立する。
【００３４】
【数７】
Ｅ０＝Ｅｄ＋４
Ｅ０＝６−Ｅｄ
数７はＥ０、Ｅｄに関する２元連立方程式のために解くことが可能であり、数７を解くと、Ｅ０＝５Ｋｗ、Ｅｄ＝１Ｋｗとなる。
【００３５】
つまり要求変数Ｄ、Ｘ、Ｙが決まれば、Ｅ０とＥｄを算出することができる。
【００３６】
ただし、制約条件として、数６を解いた解が次の数８を満たすことが必要である。
【００３７】
【数８】
０≦Ｅ０≦コージェネレーションシステムの電力の最大出力
０≦Ｅｄ≦Ｄ
すなわち、コージェネレーションシステムの熱電比が１：１の場合には、要求変数Ｄ、Ｘ、Ｙが決まれば、数６を解くことにより、Ｅ０とＥｄを算出することができる。ただしＥ０とＥｄは上記数８を満たす必要がある。このとき数２よりＨ０を求めることが出来、また、数３よりＨｄを求めることが出来る。
【００３８】
なお、上記では、コージェネレーションシステムの熱電比が１：１の場合に、数８を満たしさえすれば、要求変数Ｄ、Ｘ、Ｙが決まった場合に、Ｅ０、Ｈ０、Ｅｄ、Ｈｄを求めることが出来ることを示したが、これに限らず、熱電比が１：１以外の場合も同様の考察を行うことにより、要求変数Ｄ、Ｘ、Ｙが決まった場合に、Ｅ０、Ｈ０、Ｅｄ、Ｈｄが決まる制約条件を求めることが出来る。
【００３９】
なお、電力出力は瞬時の合計電力負荷量に一致するように制御すれば良いが、給湯負荷１３、１４などは瞬時に大きな熱負荷が発生することがあるため、貯湯タンク１０に熱を貯えてバファーとして温水を供給している。このような熱供給の方法において、上記暖房制御を行うには、暖房負荷量を除く一日の熱負荷量（Ｈｔ−Ｈｄ）と電力負荷量（Ｅｔ−Ｅｄ）との比率を前日までの状況から予測し、合計熱負荷量Ｈｔと合計電力負荷量Ｅｔとの比率Ｈｔ／Ｅｔが発電装置の熱出力Ｈｏと電力出力Ｅｏとの比率である熱電比Ｈｏ／Ｅｏに一致させるように制御することが有効である。
【００４０】
このように、合計熱負荷量と合計電力負荷量との比率が発電装置の熱出力と電力出力との比率である熱電比に適応するように、温水暖房装置１８と電気暖房装置２４の負荷量比率を設定することにより、総合効率（発電効率＋熱回収効率）を低下させることなく、温水熱量（熱出力）の過不足を解消することができるものである。
【００４１】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２におけるコージェネレーションシステムを、同じく図１にもとづいて説明する。実施の形態２の制御装置２５は、変動する電力負荷２２の電力負荷量Ｅ１および電力負荷２３の電力負荷量Ｅ２に対し、電気暖房装置２４の電力負荷量Ｅｄを調整し、合計電力負荷量Ｅｔが一定になるように温水暖房装置１８と電気暖房装置２４の負荷量比率を設定する。すなわち、合計電力負荷量Ｅｔ＝Ｅ１＋Ｅ２＋Ｅｄが一定、望ましくは発電装置の定格出力に一致するように、電気暖房装置２４の電力負荷量Ｅｄと、暖房負荷要求量Ｄ＝Ｅｄ＋Ｈｄにおける温水暖房装置１８の熱負荷量Ｈｄとを制御するようにしたものである。この暖房制御により、発電装置の電力出力Ｅｏは常に一定（望ましくは定格一定運転）となり、出力変動時における効率ロスや耐久劣化を生じることなく、安定した長寿命運転を行うことができるものである。
【００４２】
【発明の効果】
本発明は、総合効率（発電効率＋熱回収効率）を低下させることなく、別の加熱手段でのバックアップや温水熱量の外部放出を不要とし、温水熱量（熱出力）の過不足を解消することができるものである。
【００４３】
また、本発明は、出力変動時における効率ロスや耐久劣化を生じることなく、安定した長寿命運転を行うという効果も奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１及び２における、コージェネレーションシステムのシステム構成図
【図２】従来のコージェネレーションシステムのシステムの構成図
【図３】本発明の実施の形態１におけるコージェネレーションシステムの暖房制御の説明図
【符号の説明】
１ 燃料電池（発電装置）
４ 排熱回収経路
１０ 貯湯タンク
１５ 暖房循環経路
１６ 熱交換器
１８ 温水暖房装置
１９ 出力制御手段
２２ 電力負荷
２３ 電力負荷
２４ 電気暖房装置
２５ 制御装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電装置において電気とともに発生する熱を回収して温水として供給するコージェネレーションシステム、及びコージェネレーションシステム制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、省エネルギー性の観点から、電気と熱を同時に発生させエネルギー利用率を高めるという目的で、コージェネレーションシステムが様々な分野で使用されるようになってきた。このコージェネレーションシステムのメリットを充分生かすためには、発生する電気と熱を過不足なく１００％使用することが望ましい。たとえば、一般家庭で１日に使用する電力量と熱（温水）量に対し、システムが発生する熱量の比率が多ければ、熱が余る（捨てる）こととなり、エネルギーを充分有効に使うことができない。また、反対にシステムが発生する電力量の比率が多ければ、電気を全て供給した後に熱量が不足し、何らかの追い焚き加熱をする必要が出てきて、エネルギーを余分に必要とする。
【０００３】
すなわち、コージェネレーションシステムの熱出力と電力出力の比率である熱電比を、使用する熱負荷量と電力負荷量に一致させることが、省エネルギー性の観点から肝要である。
【０００４】
このように熱電比を使用する熱負荷量と電力負荷量とに一致させる手段を持った従来のコージェネレーションシステムは、図２のような構成をしていた（例えば特許文献１参照。）。すなわち、５１は水素供給手段としての燃料処理器で、改質器５２、ＣＯ変成器５３およびＣＯ除去器５４を備え、酸素供給手段としての送風機５５とともに燃料電池５６に接続されている。５７は改質器５２に設けられたバーナで、一方を燃料電池５６に接続された未反応ガス管路５８と、バーナ送風機５９と、途中に熱交換器６０を設けた排気ガス管路６１とが接続されている。６２、６３はそれぞれポンプ６４、６５を備えタンク６６に接続された冷却水経路で、それぞれ燃料電池５６と熱交換器６７に連通されている。６８は給水路６９と給湯路７０を備えた貯湯タンクで、ポンプ７１、７２をそれぞれ備えた貯湯経路７３、７４を介して、それぞれ熱交換器６７、６０に接続されている。給湯路７０には温水を使用する端末としての給湯負荷７５、７６が接続されている。７７は燃料電池５６に電気的に接続された出力制御手段で、電力を使用する端末としての電力負荷７８、７９に接続されている。
【０００５】
つぎに、この従来のコージェネレーションシステムの動作について説明する。改質器５２に供給された原燃料は、バーナ５７の燃焼によって加熱され、改質反応で水素リッチガスへ変換され、ＣＯ変成器５３およびＣＯ除去器５４で一酸化炭素を取り除いた後、燃料電池５６へ供給される。燃料電池５６では、水素リッチガス中の水素と、送風機５５から供給された空気中の酸素とが反応し、直流電力が発生し、出力制御手段７７で交流電力に変換された後、家庭などの電力負荷７８、７９に供給される。一方、燃料電池５６で発電する時に発生する熱は、ポンプ６４、６５による冷却水の循環によって、冷却水経路６２〜タンク６６〜冷却水経路６３〜熱交換器６７の順に伝えられ、熱交換器６７で熱交換された後、ポンプ７１による水の循環によって、貯湯経路７３を介して貯湯タンク６８に伝えられ、温水として貯えられる。ここで貯えられた温水は、給湯路７０から家庭などの給湯負荷７５、７６に供給される。燃料電池５６へ供給された水素リッチガスの内、反応に使われなかった水素オフガスは、未反応ガス管路５８を通ってバーナ５７に供給され、バーナ送風機５９から供給される空気と混合し燃焼される。この時発生する燃焼排気ガスは、排気ガス管路６１を通って排出されるが、途中の熱交換器６０で熱交換され、貯湯経路７４のポンプ７２による水の循環によって、貯湯タンク６８内に温水として熱回収される。
【０００６】
この従来のコージェネレーションシステムでは、バーナ送風機５９の送風量を制御することによって、ある程度の熱出力と電力出力との比率である熱電比を変化させることができる。すなわち、送風量を多くすると改質器５２内を通過する燃焼ガスの流速が速くなり十分熱交換されず、改質反応として与えられる熱量が低下し水素発生量が少なくなるため電力出力が低下する。一方、燃焼排気ガスの流量は増加するため熱交換器６０で回収される排熱量は増加し、熱出力が増加することとなり、その結果熱電比を変化させることができる。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−６３９２４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のコージェネレーションシステムで熱電比を変化させる場合、バーナ送風機５９の送風量を増加させると、同じ原燃料の入力エネルギーに対する総合出力（電力出力＋熱出力）が低下する、すなわち総合効率が低下するという課題があった。
【０００９】
これは以下の理由による。送風量を増加させた時、改質反応として与えられる熱量が低下し、その分の熱量を燃焼排気ガスの熱交換で全て回収できれば総合出力は変わらないが、実際にはシステム外へ排出される燃焼排気ガスの温度Ｔ２はバーナ送風機５９の吸気温度である機器周囲温度Ｔ１より高い（無限大の熱交換面積を持つ熱交換器を使わない限りＴ２＝Ｔ１とはならない）ため、燃焼排気ガスの流量が増加するとシステム外へ持ち出される熱量も増加するものである。そのため、電力出力減少分のエネルギーの熱出力増加は見込めないので、総合効率は低下するものである。
【００１０】
本発明は、上記従来の課題を考慮し、総合効率を低下させることなく、家庭などの熱負荷量と電力負荷量との比率に、発電装置の熱出力と電力出力との比率である熱電比を適応させるコージェネレーションシステムを提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、第１の本発明は、電力負荷量の増減に応じて出力を制御する出力制御手段（図１の１９）からの制御に基づいて出力が制御されて発電する発電装置（図１の１）と、
前記発電装置（図１の１）で発生する熱を回収する排熱回収経路（図１の４）と、
前記排熱回収経路（図１の４）で回収された熱を温水として貯える貯湯タンク（図１の１０）と、
前記貯湯タンク（図１の１０）で貯えられた温水の熱を利用して暖房を行う温水暖房装置（図１の１８）と、
前記発電装置（図１の１）で発電された電力を利用して暖房を行う電気暖房装置（図１の２４）と、
制御装置（図１の２５）とを備え、
前記電気暖房装置（図１の２４）及び前記温水暖房装置（図１の１８）以外の電力負荷（図１の２２、及び２３）及び熱負荷（図１の１３、及び１４）が接続されているコージェネレーションシステムであって、
前記制御装置（図１の２５）は、前記温水暖房装置（図１の１８）及び前記熱負荷の合計負荷量である合計熱負荷量に対する、前記電気暖房装置（図１の２４）及び前記電力負荷の合計負荷量である合計電力負荷量の比率が大きくなった時に、暖房負荷要求量における前記温水暖房装置（図１の１８）の負荷量比率を大きくするよう制御し、前記合計熱負荷量に対する前記合計電力負荷量の比率が小さくなった時に前記暖房負荷要求量における前記電気暖房装置（図１の２４）の負荷量比率を大きくするよう制御するコージェネレーションシステムである。 また、第２の本発明は、前記制御装置（図１の２５）は、前記合計熱負荷量と前記合計電力負荷量との比率が、前記発電装置（図１の１）の熱出力と電力出力との比率である熱電比に適応するように、前記温水暖房装置（図１の１８）と前記電気暖房装置（図１の２４）の負荷量比率を設定する第１の本発明のコージェネレーションシステムである。
【００１２】
また、第３の本発明は、前記制御装置（図１の２５）は、前記暖房負荷を除く一日の熱負荷量と電力負荷量との比率を前日までの状況から予測し、前記合計熱負荷量と前記合計電力負荷量との比率が前記発電装置（図１の１）の熱出力と電力出力との比率である熱電比に適応させるようにする第２の本発明のコージェネレーションシステムである。
【００１３】
また、第４の本発明は、電力負荷量の増減に応じて出力を制御する出力制御手段（図１の１９）からの制御に基づいて出力が制御されて発電する発電装置（図１の１）と、
前記発電装置（図１の１）で発生する熱を回収する排熱回収経路（図１の４）と、
前記排熱回収経路（図１の４）で回収された熱を温水として貯える貯湯タンク（図１の１０）と、
前記貯湯タンク（図１の１０）で貯えられた温水の熱を利用して暖房を行う温水暖房装置（図１の１８）と、
前記発電装置で発電された電力を利用して暖房を行う電気暖房装置（図１の２４）と、
制御装置（図１の２５）とを備え、
前記電気暖房装置（図１の２４）及び前記温水暖房装置（図１の１８）以外の電力負荷及び熱負荷が接続されているコージェネレーションシステムであって、前記制御装置（図１の１５）は、変動する電力負荷量に対して、前記電気暖房装置（図１の２４）の負荷量を調整し、前記電力負荷及び前記電気暖房装置（図１の２４）の負荷の合計負荷量である合計電力負荷量が一定になるように、前記温水暖房装置（図１の１８）と前記電気暖房装置（図１の２４）との負荷量比率を制御するコージェネレーションシステムである。
【００１４】
また、第５の本発明は、前記温水暖房装置（図１の１８）への温水供給は、前記貯湯タンク（図１の１０）内の熱交換器（図１の１６）で間接加熱された暖房循環経路（図１の１５）によって行われる第１〜４の本発明のいずれかのコージェネレーションシステムである。
【００１５】
また、第６の本発明は、前記温水暖房装置（図１の１８）と前記電気暖房装置（図１の２４）は一体化されている第１〜４の本発明のいずれかのコージェネレーションシステムである。
【００１６】
また、第７の本発明は、前記発電装置（図１の１）は、水素と酸素とを反応させて発電を行う燃料電池である第１〜４の本発明のいずれかのコージェネレーションシステムである。
【００１７】
また、第８の本発明は、電力負荷量の増減に応じて出力を制御する出力制御手段からの制御に基づいて出力が制御されて発電する発電装置と、
前記発電装置で発生する熱を回収する排熱回収経路と、
前記排熱回収経路で回収された熱を温水として貯える貯湯タンクと、
前記貯湯タンクで貯えられた温水の熱を利用して暖房を行う温水暖房装置と、前記発電装置で発電された電力を利用して暖房を行う電気暖房装置とを備え、前記電気暖房装置及び前記温水暖房装置以外の電力負荷及び熱負荷が接続されているコージェネレーションシステムを制御するコージェネレーションシステム制御方法であって、
前記温水暖房装置及び前記熱負荷の合計負荷量である合計熱負荷量に対する、前記電気暖房装置及び前記電力負荷の合計負荷量である合計電力負荷量の比率が大きくなった時に、暖房負荷要求量における前記温水暖房装置の負荷量比率を大きくするよう制御し、前記合計熱負荷量に対する前記合計電力負荷量の比率が小さくなった時に前記暖房負荷要求量における前記電気暖房装置の負荷量比率を大きくするよう制御するコージェネレーションシステム制御方法である。
【００１８】
また、第９の本発明は、電力負荷量の増減に応じて出力を制御する出力制御手段からの制御に基づいて出力が制御されて発電する発電装置と、
前記発電装置で発生する熱を回収する排熱回収経路と、
前記排熱回収経路で回収された熱を温水として貯える貯湯タンクと、
前記貯湯タンクで貯えられた温水の熱を利用して暖房を行う温水暖房装置と、
前記発電装置で発電された電力を利用して暖房を行う電気暖房装置とを備え、
前記電気暖房装置及び前記温水暖房装置以外の電力負荷及び熱負荷が接続されているコージェネレーションシステムを制御するコージェネレーションシステム制御方法であって、
変動する電力負荷量に対して、前記電気暖房装置の負荷量を調整し、前記電力負荷及び前記電気暖房装置の負荷の合計負荷量である合計電力負荷量が一定になるように、前記温水暖房装置と前記電気暖房装置との負荷量比率を制御するするコージェネレーションシステム制御方法である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面にもとづいて説明する。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるコージェネレーションシステムのシステム構成図である。図１において、１は、発電装置の一例としての燃料電池で、水素供給手段としての燃料処理器２と、酸素供給手段としての送風機３とが接続されている。４は、冷却水循環ポンプ５を備えた冷却水経路６と、貯湯循環ポンプ７を備えた貯湯経路８とからなる排熱回収経路である。冷却水経路６の一方は燃料電池１に、もう一方は排熱交換器９に接続され、貯湯経路８の一方は貯湯タンク１０に、もう一方は排熱交換器９に接続されている。貯湯タンク１０には給水路１１と給湯路１２が設けられ、給湯路１２には温水を使用する端末としての給湯負荷１３、１４が接続されている。また、貯湯タンク１０内には暖房循環経路１５の加熱手段の一例としての熱交換器１６が設けられている。暖房循環経路１５は暖房循環ポンプ１７を備え、温水を使用する端末としての温水暖房装置１８に接続されている。１９は、燃料電池１に電気的に接続された出力制御手段で、電力負荷検知手段２０を備えた電力供給ライン２１を介して、電力を使用する端末としての電力負荷２２、２３および電力負荷の一つとしての電気暖房装置２４に接続されている。２５は、出力制御手段１９、温水暖房装置１８、電気暖房装置２４などを制御する制御装置である。なお、温水暖房装置１８と電気暖房装置２４は、使用者にとっては同じ暖房の用途に使うものであるため、１つのパッケージ内に一体化することが望ましい。
【００２１】
つぎに、本実施の形態１における動作を説明する。発電装置の一例としての燃料電池１には、水素供給手段としての燃料処理器２から水素が、酸素供給手段としての送風機３から空気中の酸素が供給され、この水素と酸素とが反応し直流電力が発生する。出力制御手段１９は、燃料電池１で発生した直流電力を交流電力に変換し電力供給ライン２１を通じて供給するとともに、電力負荷検知手段２０で検知された電力負荷２２、２３および電気暖房装置２４などの電力負荷量の状況に応じて燃料電池１の発電出力を制御する。一方、燃料電池１で発電する時に発生する熱は、冷却水循環ポンプ５による冷却水の循環によって冷却水経路６から排熱交換器９に伝えられ、排熱交換器９で熱交換された後、貯湯循環ポンプ７による水の循環によって、貯湯経路８を介して貯湯タンク１０内に伝えられ、温水として貯えられる。ここで貯えられた温水は、給湯路１２から家庭などの給湯負荷１３、１４に供給される。また、貯湯タンク１０内に貯えられた温水の熱は、熱交換器１６で暖房循環経路１５に熱交換（間接加熱）され、暖房循環ポンプ１７による水の循環によって温水暖房装置１８に伝えられる。温水暖房装置１８では温水と空気とを熱交換し、家庭などの室内の空気を加熱する暖房器として使用されるものである。これらの電気暖房装置２４と温水暖房装置１８を制御する暖房制御をはじめとする一連の制御は、制御装置２５によって行われるものである。
【００２２】
つぎに、本実施の形態１における電力供給と熱供給の運転方法について説明する。燃料電池１の発電運転制御は、電力負荷検知手段２０で検知された家庭などの電力負荷２２、２３および電気暖房装置２４の合計電力負荷量の状況に応じて電力出力を制御する。一方、家庭の風呂や洗面所などで温水を使用する場合は、貯湯タンク１０内に貯えられた温水を供給する。また、家庭の室内などを暖房する場合は、貯湯タンク１０に貯えられた温水の熱を利用して加熱を行う。これらの電力供給と熱供給は、いわゆる電主熱従と呼ばれる運転方法で行われる。すなわち、合計電力負荷量に応じて発電運転を行い、発生する熱は成り行きで貯湯タンク１０に貯えられるものである。したがって、給湯負荷量と温水暖房負荷量を合算した合計熱負荷量に対し、貯湯タンク１０内に貯えられる温水熱量（熱出力）は必ずしも一致しない。合計熱負荷量が温水熱量（熱出力）より多い場合は、別の加熱手段でバックアップする必要があり、また、温水熱量（熱出力）が合計熱負荷量より多い場合は、温水熱量を外部に放出する必要がある。そこで、合計熱負荷量と合計電力負荷量との比率が、コージェネレーションシステムの熱出力と電力出力との比率である熱電比に適応することが望ましい。
【００２３】
本実施の形態１におけるコージェネレーションシステムの暖房制御では、制御装置２５によって、合計熱負荷量に対する合計電力負荷量の比率が大きくなった時に暖房負荷要求量における温水暖房装置１８の負荷量比率を大きくし、合計熱負荷量に対する合計電力負荷量の比率が小さくなった時に暖房負荷要求量における電気暖房装置２４の負荷量比率を大きくするものである。
【００２４】
以下に、もう少し具体的な暖房制御の説明を行う。電力負荷２２の電力負荷量をＥ１、電力負荷２３の電力負荷量をＥ２、電気暖房装置２４の電力負荷量をＥｄとすると、合計電力負荷量Ｅｔは、Ｅｔ＝Ｅ１＋Ｅ２＋Ｅｄで表され、電力出力Ｅｏは、この合計電力負荷量Ｅｔに一致するように制御される。一方、給湯負荷１２の熱負荷量をＨ１、給湯負荷１３の熱負荷量をＨ２、温水暖房装置１８の熱負荷量をＨｄとすると、合計熱負荷量Ｈｔは、Ｈｔ＝Ｈ１＋Ｈ２＋Ｈｄで表される。いま、熱出力Ｈｏが合計熱負荷Ｈｔに一致するようにバランスしていると仮定すると、Ｅ１やＥ１が大きくなりＥｔが大きくなった場合、Ｅｏも増加するように制御される。この時、熱出力Ｈｏと電力出力Ｅｏとの比率である熱電比Ｈｏ／Ｅｏは機器の特性として一定であるため、Ｅｏの増加とともに必然的にＨｏも増加し、Ｈｏ＞Ｈｔとなりバランスが崩れる。そこで、暖房負荷要求量Ｄ＝Ｅｄ＋Ｈｄにおいて、温水暖房装置１８の熱負荷量Ｈｄの比率を大きくし、電気暖房装置２４の電力負荷量Ｅｄの比率を小さくする。その結果、合計熱負荷量Ｈｔは増加し、合計電力負荷量Ｅｔは減少する。
【００２５】
望ましくは、Ｈｔ／Ｅｔ＝Ｈｏ／Ｅｔに一致するように制御する。上記とは逆にＥ１やＥ１が小さくなりＥｔが小さくなった場合、温水暖房装置１８の熱負荷量Ｈｄの比率を小さくし、電気暖房装置２４の電力負荷量Ｅｄの比率を大きくする。その結果、合計熱負荷量Ｈｔは増加し、合計電力負荷量Ｅｔは減少する。同様に、Ｈｔ／Ｅｔ＝Ｈｏ／Ｅｔに一致するように制御することが望ましい。
【００２６】
次に、さらに具体的な暖房制御の説明を行う。図３に各パラメータの説明を示す。
【００２７】
今、コージェネレーションシステムの総合出力をＱとすると、総合出力はコージェネレーションシステムの電力出力と熱出力との和である。すなわち、次の数１が成立する。
【００２８】
【数１】
Ｑ＝Ｅ０＋Ｈ０
図３に示すように、仮にコージェネレーションシステムの熱電比を１：１とすると、次の数２が成立する。
【００２９】
【数２】
Ｈ０＝Ｅ０
また、上記と同様に暖房負荷量をＤ、電気暖房負荷量をＥｄ、温水暖房負荷量をＨｄとすると、次の数３が成立する。
【００３０】
【数３】
Ｄ＝Ｅｄ＋Ｈｄ
また、暖房負荷要求量以外の電力負荷量をＸ、暖房負荷以外の熱負荷量をＹとする。コージェネレーションシステムの電力出力Ｅ０は、電気暖房負荷量Ｅｄと電力負荷量Ｘとの和に等しく、またコージェネレーションシステムの熱出力Ｈｄは、温水暖房負荷量Ｈｄと熱負荷量Ｙとの和に等しいので、次の数４が成立する。
【００３１】
【数４】
Ｅ０＝Ｅｄ＋Ｘ
Ｈ０＝Ｈｄ＋Ｙ
ここで数３、数４よりＨｄを消去すると、次の数５が成立する。
【００３２】
【数５】
Ｅ０＝Ｅｄ＋Ｘ
Ｈ０＝（Ｄ−Ｅｄ）＋Ｙ
数２を数５に代入して、Ｈ０を消去すると、次の数６が成立する。
【００３３】
【数６】
Ｅ０＝Ｅｄ＋Ｘ
Ｅ０＝（Ｄ−Ｅｄ）＋Ｙ
図３に示すように、コージェネレーションシステムの電力出力Ｅ０が５Ｋｗ、コージェネレーションシステムの熱出力Ｈ０が５Ｋｗ、暖房負荷量Ｄが２Ｋｗ、電力負荷量Ｘが４Ｋｗ、熱負荷量Ｙが４Ｋｗである場合には、これらの数値を数６に代入して、次の数７が成立する。
【００３４】
【数７】
Ｅ０＝Ｅｄ＋４
Ｅ０＝６−Ｅｄ
数７はＥ０、Ｅｄに関する２元連立方程式のために解くことが可能であり、数７を解くと、Ｅ０＝５Ｋｗ、Ｅｄ＝１Ｋｗとなる。
【００３５】
つまり要求変数Ｄ、Ｘ、Ｙが決まれば、Ｅ０とＥｄを算出することができる。
【００３６】
ただし、制約条件として、数６を解いた解が次の数８を満たすことが必要である。
【００３７】
【数８】
０≦Ｅ０≦コージェネレーションシステムの電力の最大出力
０≦Ｅｄ≦Ｄ
すなわち、コージェネレーションシステムの熱電比が１：１の場合には、要求変数Ｄ、Ｘ、Ｙが決まれば、数６を解くことにより、Ｅ０とＥｄを算出することができる。ただしＥ０とＥｄは上記数８を満たす必要がある。このとき数２よりＨ０を求めることが出来、また、数３よりＨｄを求めることが出来る。
【００３８】
なお、上記では、コージェネレーションシステムの熱電比が１：１の場合に、数８を満たしさえすれば、要求変数Ｄ、Ｘ、Ｙが決まった場合に、Ｅ０、Ｈ０、Ｅｄ、Ｈｄを求めることが出来ることを示したが、これに限らず、熱電比が１：１以外の場合も同様の考察を行うことにより、要求変数Ｄ、Ｘ、Ｙが決まった場合に、Ｅ０、Ｈ０、Ｅｄ、Ｈｄが決まる制約条件を求めることが出来る。
【００３９】
なお、電力出力は瞬時の合計電力負荷量に一致するように制御すれば良いが、給湯負荷１３、１４などは瞬時に大きな熱負荷が発生することがあるため、貯湯タンク１０に熱を貯えてバファーとして温水を供給している。このような熱供給の方法において、上記暖房制御を行うには、暖房負荷量を除く一日の熱負荷量（Ｈｔ−Ｈｄ）と電力負荷量（Ｅｔ−Ｅｄ）との比率を前日までの状況から予測し、合計熱負荷量Ｈｔと合計電力負荷量Ｅｔとの比率Ｈｔ／Ｅｔが発電装置の熱出力Ｈｏと電力出力Ｅｏとの比率である熱電比Ｈｏ／Ｅｏに一致させるように制御することが有効である。
【００４０】
このように、合計熱負荷量と合計電力負荷量との比率が発電装置の熱出力と電力出力との比率である熱電比に適応するように、温水暖房装置１８と電気暖房装置２４の負荷量比率を設定することにより、総合効率（発電効率＋熱回収効率）を低下させることなく、温水熱量（熱出力）の過不足を解消することができるものである。
【００４１】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２におけるコージェネレーションシステムを、同じく図１にもとづいて説明する。実施の形態２の制御装置２５は、変動する電力負荷２２の電力負荷量Ｅ１および電力負荷２３の電力負荷量Ｅ２に対し、電気暖房装置２４の電力負荷量Ｅｄを調整し、合計電力負荷量Ｅｔが一定になるように温水暖房装置１８と電気暖房装置２４の負荷量比率を設定する。すなわち、合計電力負荷量Ｅｔ＝Ｅ１＋Ｅ２＋Ｅｄが一定、望ましくは発電装置の定格出力に一致するように、電気暖房装置２４の電力負荷量Ｅｄと、暖房負荷要求量Ｄ＝Ｅｄ＋Ｈｄにおける温水暖房装置１８の熱負荷量Ｈｄとを制御するようにしたものである。この暖房制御により、発電装置の電力出力Ｅｏは常に一定（望ましくは定格一定運転）となり、出力変動時における効率ロスや耐久劣化を生じることなく、安定した長寿命運転を行うことができるものである。
【００４２】
【発明の効果】
本発明は、総合効率（発電効率＋熱回収効率）を低下させることなく、別の加熱手段でのバックアップや温水熱量の外部放出を不要とし、温水熱量（熱出力）の過不足を解消することができるものである。
【００４３】
また、本発明は、出力変動時における効率ロスや耐久劣化を生じることなく、安定した長寿命運転を行うという効果も奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１及び２における、コージェネレーションシステムのシステム構成図
【図２】従来のコージェネレーションシステムのシステムの構成図
【図３】本発明の実施の形態１におけるコージェネレーションシステムの暖房制御の説明図
【符号の説明】
１ 燃料電池（発電装置）
４ 排熱回収経路
１０ 貯湯タンク
１５ 暖房循環経路
１６ 熱交換器
１８ 温水暖房装置
１９ 出力制御手段
２２ 電力負荷
２３ 電力負荷
２４ 電気暖房装置
２５ 制御装置
Claims (9)
- 電力負荷量の増減に応じて出力を制御する出力制御手段からの制御に基づいて出力が制御されて発電する発電装置と、
前記発電装置で発生する熱を回収する排熱回収経路と、
前記排熱回収経路で回収された熱を温水として貯える貯湯タンクと、
前記貯湯タンクで貯えられた温水の熱を利用して暖房を行う温水暖房装置と、
前記発電装置で発電された電力を利用して暖房を行う電気暖房装置と、
制御装置とを備え、
前記電気暖房装置及び前記温水暖房装置以外の電力負荷及び熱負荷が接続されているコージェネレーションシステムであって、
前記制御装置は、前記温水暖房装置及び前記熱負荷の合計負荷量である合計熱負荷量に対する、前記電気暖房装置及び前記電力負荷の合計負荷量である合計電力負荷量の比率が大きくなった時に、暖房負荷要求量における前記温水暖房装置の負荷量比率を大きくするよう制御し、前記合計熱負荷量に対する前記合計電力負荷量の比率が小さくなった時に前記暖房負荷要求量における前記電気暖房装置の負荷量比率を大きくするよう制御するコージェネレーションシステム。 - 前記制御装置は、前記合計熱負荷量と前記合計電力負荷量との比率が、前記発電装置の熱出力と電力出力との比率である熱電比に適応するように、前記温水暖房装置と前記電気暖房装置の負荷量比率を設定する請求項１記載のコージェネレーションシステム。
- 前記制御装置は、前記暖房負荷を除く一日の熱負荷量と電力負荷量との比率を前日までの状況から予測し、前記合計熱負荷量と前記合計電力負荷量との比率が前記発電装置の熱出力と電力出力との比率である熱電比に適応させるようにする請求項２記載のコージェネレーションシステム。
- 電力負荷量の増減に応じて出力を制御する出力制御手段からの制御に基づいて出力が制御されて発電する発電装置と、
前記発電装置で発生する熱を回収する排熱回収経路と、
前記排熱回収経路で回収された熱を温水として貯える貯湯タンクと、
前記貯湯タンクで貯えられた温水の熱を利用して暖房を行う温水暖房装置と、
前記発電装置で発電された電力を利用して暖房を行う電気暖房装置と、
制御装置とを備え、
前記電気暖房装置及び前記温水暖房装置以外の電力負荷及び熱負荷が接続されているコージェネレーションシステムであって、
前記制御装置は、変動する電力負荷量に対して、前記電気暖房装置の負荷量を調整し、前記電力負荷及び前記電気暖房装置の負荷の合計負荷量である合計電力負荷量が一定になるように、前記温水暖房装置と前記電気暖房装置との負荷量比率を制御するコージェネレーションシステム。 - 前記温水暖房装置への温水供給は、前記貯湯タンク内の熱交換器で間接加熱された暖房循環経路によって行われる請求項１〜４のいずれかに記載のコージェネレーションシステム。
- 前記温水暖房装置と前記電気暖房装置は一体化されている請求項１〜４のいずれかに記載のコージェネレーションシステム。
- 前記発電装置は、水素と酸素とを反応させて発電を行う燃料電池である請求項１〜４のいずれかに記載のコージェネレーションシステム。
- 電力負荷量の増減に応じて出力を制御する出力制御手段からの制御に基づいて出力が制御されて発電する発電装置と、
前記発電装置で発生する熱を回収する排熱回収経路と、
前記排熱回収経路で回収された熱を温水として貯える貯湯タンクと、
前記貯湯タンクで貯えられた温水の熱を利用して暖房を行う温水暖房装置と、
前記発電装置で発電された電力を利用して暖房を行う電気暖房装置とを備え、
前記電気暖房装置及び前記温水暖房装置以外の電力負荷及び熱負荷が接続されているコージェネレーションシステムを制御するコージェネレーションシステム制御方法であって、
前記温水暖房装置及び前記熱負荷の合計負荷量である合計熱負荷量に対する、前記電気暖房装置及び前記電力負荷の合計負荷量である合計電力負荷量の比率が大きくなった時に、暖房負荷要求量における前記温水暖房装置の負荷量比率を大きくするよう制御し、前記合計熱負荷量に対する前記合計電力負荷量の比率が小さくなった時に前記暖房負荷要求量における前記電気暖房装置の負荷量比率を大きくするよう制御するコージェネレーションシステム制御方法。 - 電力負荷量の増減に応じて出力を制御する出力制御手段からの制御に基づいて出力が制御されて発電する発電装置と、
前記発電装置で発生する熱を回収する排熱回収経路と、
前記排熱回収経路で回収された熱を温水として貯える貯湯タンクと、
前記貯湯タンクで貯えられた温水の熱を利用して暖房を行う温水暖房装置と、
前記発電装置で発電された電力を利用して暖房を行う電気暖房装置とを備え、
前記電気暖房装置及び前記温水暖房装置以外の電力負荷及び熱負荷が接続されているコージェネレーションシステムを制御するコージェネレーションシステム制御方法であって、
変動する電力負荷量に対して、前記電気暖房装置の負荷量を調整し、前記電力負荷及び前記電気暖房装置の負荷の合計負荷量である合計電力負荷量が一定になるように、前記温水暖房装置と前記電気暖房装置との負荷量比率を制御するするコージェネレーションシステム制御方法。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2002335539A JP2004169602A (ja) | 2002-11-19 | 2002-11-19 | コージェネレーションシステム、及びコージェネレーションシステム制御方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010286233A (ja) * | 2010-07-20 | 2010-12-24 | Aisin Seiki Co Ltd | コジェネレーションシステム |
| JP2020165549A (ja) * | 2019-03-28 | 2020-10-08 | 東京瓦斯株式会社 | エネルギー管理制御装置 |
-
2002
- 2002-11-19 JP JP2002335539A patent/JP2004169602A/ja active Pending
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| JP2020165549A (ja) * | 2019-03-28 | 2020-10-08 | 東京瓦斯株式会社 | エネルギー管理制御装置 |
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