JP2004190870A - コジェネレーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】熱需要の変動に対応し、システム全体のエネルギー効率を向上させることができるコジェネレーションシステムを提供する。
【解決手段】電気および熱を生成するコジェネレーション装置１０と、生成熱を回収する熱交換器１４と、内部に水が蓄えられる貯湯槽２０と、貯湯槽２０内の水を熱交換器１４へ送る往路３１と、熱取得後の水を貯湯槽２０へ戻す復路３２と、送水ポンプ３０と、送水ポンプ３０の出力を調節する制御手段４０とを備えるコジェネレーションシステム１において、制御手段４０は、往路３１の水温の範囲毎に復路３２の目標水温を設定した温度対応表を備え、温度対応表に従って、往路３１の水温の変化に応じて復路３２の水温が目標水温となるように送水ポンプ３０の出力を調節する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気を生成して電力需要に供するとともに、熱を生成して貯湯槽に温水として蓄熱し熱需要に供するコジェネレーションシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のコジェネレーションシステムの蓄熱制御の一例として、燃料電池で発生した熱を熱交換器にて貯湯槽から送られる水に受け渡し、これにより加熱された水を貯湯槽に戻す構成とされたコジェネレーションシステムにおいて、復路の戻り水温が一定の目標値になるように、貯湯槽と熱交換器の間の送水ポンプを制御するものが知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−３４０２４４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１記載のシステムは、貯湯槽の蓄熱状況に関わりなく、戻り水温を一定にしているため、全体的なエネルギー効率に無駄が生じるという問題があった。
【０００５】
例えば寒冷期（冬季）は一般に熱需要が大きいが、その一方で貯湯槽から熱交換器への送り水温は低い。これを上記一定の目標戻り水温まで高めるには送水ポンプの出力を小さくして水の熱交換器での滞留時間を長くする必要がある。しかし、そうすると熱交換器での熱の取得効率が低くなる。要するに、熱需要が大きいにもかかわらず、熱のロスが起きてしまう。また、貯湯槽がコジェネレーション装置にて生成された温水で満たされると、その後の熱交換が不可能になってしまう。
【０００６】
逆に温暖期（夏季）は貯湯槽から熱交換器への送り水温が高い。そのため、戻り水温が上記一定の目標値を超えないようにポンプ出力を大きくして水の熱交換器滞留時間を短くすることになる。従って、熱の取得効率は高いが、温暖器の熱需要はそれほど大きくないのでかえって熱が余ることになり易い。また、上記一定の目標値より高温の需要があった場合には、補助ヒータでさらに加熱する必要があり、その分だけ電力を消費する。
【０００７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、熱需要の変動に対応できるコジェネレーションシステムを提供し、ひいてはシステム全体のエネルギー効率を向上させることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成すべく、本発明に係るコジェネレーションシステムは、電気および熱を生成するコジェネレーション装置と、該コジェネレーション装置内に備えられて前記生成熱を回収する熱交換器と、内部に水が蓄えられる貯湯槽と、該貯湯槽内の水を前記生成熱の取得のために前記熱交換器へ送る往路と、前記熱取得後の水を前記貯湯槽へ戻す復路と、前記往路又は復路の一方に設けられた送水ポンプと、該送水ポンプの出力を調節する制御手段とを備えるコジェネレーションシステムである。そして、前記制御手段は、前記往路の水温の範囲毎に前記復路の目標水温を設定した温度対応表を備え、該温度対応表に従って、前記往路の水温の変化に応じて前記復路の水温が前記目標水温となるように前記送水ポンプの出力を調節することを特徴とする。
【０００９】
前記のごとく構成された本発明のコジェネレーションシステムは、コジェネレーションシステムの使用態様に応じた制御が行われることにより、利便性が向上する。例えば、寒冷期においては、上水の水温が低いにもかかわらず多量の温水を供給する必要があるので、往路の水温と復路の水温との差が小さくなるように温度対応表を設定することで、熱交換器における熱取得効率は常に高く保たれ、多量の温水を得ることが可能になる。逆に、温暖期においては、上水の水温が高く、温水の供給量も少量で足りるので、往路の水温と復路の水温との差が大きくなるように温度対応表を設定することで、短時間で高温の湯を得ることができる。
【００１０】
また、本発明に係るコジェネレーションシステムの好ましい具体的な態様においては、前記温度対応表において、前記往路での水温の範囲が高い温度範囲であるほど、対応する前記復路での目標水温は高い温度に設定されている。この態様においては、往路の温度が低い時は熱取得効率が高くなるように復路の戻り温度を設定しておき、貯湯槽内の取得温水が二巡目に入り、往路の温度が高くなった時は復路の戻り温度をさらに高くすることができる。つまり、いきなり高温の温度を取得するよりも高効率かつ多くの温水を取得でき、貯湯槽がコンパクトでも十分な熱取得能力を発揮することができる。
【００１１】
さらに、本発明に係るコジェネレーションシステムの好ましい具体的な他の態様においては、前記温度対応表を複数備え、前記制御手段は、コジェネレーションシステムが使用される状況に応じて、前記複数の温度対応表を適宜選択する。この態様においては、コジェネレーションシステムが使用される状況の変化に応じて、自動的に最適な制御方法が選択されることにより、コジェネレーションシステムの利便性はさらに向上する。
【００１２】
好ましくは、本発明によるコジェネレーションシステムが、気候の寒暖を認識する寒暖認識手段をさらに有し、前記制御手段は、該寒暖認識手段が認識した気候の寒暖の程度に応じて、前記複数の温度対応表を適宜選択する。この態様においては、気候の変化に応じて自動的に最適な制御方法が選択されることにより、コジェネレーションシステムの利便性が向上する。例えば、気候が寒冷期にあるときは、往路の水温と復路の水温との差が小さく設定された温度対応表が選択され、温暖期にあるときは、往路の水温と復路の水温との差が大きく設定された温度対応表が選択されるようにしておく。このようにしておけば、寒冷期には上水の水温が低いにもかかわらず多量の温水を供給することができ、逆に温暖期には短時間で高温の湯を得ることができる。
【００１３】
寒暖認識手段は、好ましくは、日付機能や、上水路の水温を検知する上水検温手段、あるいは外気温を検知する外気検温手段の検知に基づいて寒暖認識を行うようにすることで、簡易な設備で確実に気候の寒暖を認識することができる。
【００１４】
さらに、本発明に係るコジェネレーションシステムの好ましい具体的な他の態様においては、前記制御手段は、コジェネレーションシステムが使用される地域に応じて、前記複数の温度対応表を適宜選択する。これにより、コジェネレーションシステムが使用される地域の気候に適応した制御がなされ、利便性が向上する。
【００１５】
さらに、本発明に係るコジェネレーションシステムの好ましい具体的な他の態様としては、コジェネレーション装置が、固体高分子形燃料電池を基本構成として有している。この構成によれば、エネルギー変換効率の高いコジェネレーションシステムを構築することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明によるコジェネレーションシステムの好ましい実施形態を図面とともに説明する。図１は本発明の一実施形態によるコジェネレーションシステムを示す概略構成図であり、また、図２は図１に示すコジェネレーションシステムにおいて使用される温度対応表である。
【００１７】
家屋に設置されるコジェネレーションシステム１は、固体高分子形燃料電池を基本構成として有しているシステムであり、コジェネレーション装置１０と貯湯槽２０とを備えている。貯湯槽２０の下部には上水路２１から分岐した給水路２１ａが接続されており、貯湯槽２０内は給水路２１ａからの給湯用水で満たされている。貯湯槽２０の上部からは温水を取り出す給湯路２２が延びている。
【００１８】
給湯路２２には補助熱源２３が設けられている。補助熱源２３は、制御装置４０の補助熱源駆動回路によって制御され、上記取り出された温水を所望の温度まで加熱することができる。補助熱源２３としてはガスバーナや電気ヒータ等を用いることができる。補助熱源２３を給湯路２２に代えて、貯湯槽２０内部あるいは後述の復路３２に設けることにより、貯湯槽２０内の水温を常時例えば９０℃程度の高温に保つようにしてもよい。
【００１９】
給湯路２２は、上水路２１から別途分岐した上水混合路２１ｂとミキシング装置２４で合流している。ミキシング装置２４は、給湯路２２からの温水と上水混合路２１ｂからの常温の上水を適量ずつ混合させるように構成されている。これによって、所望の温度になった温水が、熱負荷２５へ供給される。熱負荷２５として、例えば、台所や浴室の給湯器、床暖房やファンコイル式暖房等の暖房装置等が該当している。
【００２０】
コジェネレーション装置１０は、燃料改質装置１１と燃料電池本体１２を基本構成として有している。燃料改質装置１１には、都市ガス、ＬＰガス、天然ガス、プロパンガス等からなる含水素燃料を供給する燃料供給路１５が接続されている。燃料改質装置１１は、この燃料供給路１５から供給された燃料を高温下で水蒸気と反応させて改質し、水素を得る装置である。得られた水素は燃料電池本体１２において、酸素と反応し、電気が生成される。燃料電池本体１２を構成する電解質としては、例えばポリマーを用いた固体高分子が用いられる。固体高分子形の燃料電池は３０〜４０％程度の高い発電効率を持っている。
【００２１】
コジェネレーション装置１０には、上記燃料電池本体１２で生成された直流の電気を交流に変換するインバータ１３が収容されている。変換後の交流の電気は、商用電源からの幹線５０によって電気機器等の電気負荷５１に供給される。電気負荷は刻々と変動する。コジェネレーション装置１０は、この電気負荷の変動に追従して発電する電気負荷追従運転を行うようになっている。この運転に伴って燃料電池本体１２から反応熱が発生する。また、燃料改質装置１１からも排熱が出る。
【００２２】
さらに、コジェネレーション装置１０には、燃料電池本体１２の反応熱および改質装置１１の排熱を回収する熱交換器１４が収容されている。燃料電池本体１２の反応熱を熱交換器１４へ伝達する方法は、水や気体を熱体にした伝達方式でも良いし、燃料電池本体１２と熱交換器１４を密着あるいは一体にする方法でも良い。改質装置１１の排熱を熱交換器１４へ伝達する方法も同様に、水や気体を熱体にした伝達方式でも良いし、燃料電池本体１２と熱交換器１４を密着あるいは一体にする方法でも良い。なお、熱交換器１４やインバータ１３はコジェネレーション装置１０から分離して外部に設けても良い。
【００２３】
貯湯槽２０の下部から往路３１が延びており、熱交換器１４内の伝熱路１４ａの一端に接続されている。往路３１の中途部には、送水ポンプ３１が設けられている。熱交換器１４内の伝熱路１４ａの他端からは復路３２が延びており、貯湯槽２０の上部に接続されている。送水ポンプ３０は往路３１に代えて復路３２に設けても良い。
【００２４】
熱交換器１４の伝熱路１４ａおよび給湯路２２、往路３１、復路３２には、検温センサＴ１４、Ｔ２２、Ｔ３１、Ｔ３２が備えられており、伝熱路１４ａの水温ｔ１４、給湯路２２の水温ｔ２２、往路の水温ｔ３１および復路３２の水温ｔ３２がそれぞれデジタル変換されて制御装置４０のマイクロコンピュータに入力される。検温センサＴ１４、Ｔ２２、Ｔ３１、Ｔ３２には、サーミスタ、熱電対、測温抵抗体等を用いることができる。
【００２５】
送水ポンプ３０を駆動すると、貯湯槽２０下側部の比較的低温の給湯用水が往路３１に取り込まれる。そして、往路３１を通って伝熱路１４ａに送られ、この伝熱部１４ａを通過する過程で、燃料電池本体から伝達された反応熱および改質装置１１から伝達された排熱を受け取る。これによって給湯用水が温水となった後、復路３２を通って貯湯槽２０の上側部に送られる。このようにしてコジェネレーション装置１０で生成された熱が、貯湯槽２０に温水として蓄熱される。
【００２６】
さらに、コジェネレーション装置１０は制御装置４０を備えている。詳細な図は省略するが、制御装置４０はカレンダー機能（現在日を認識する日付認識機能）、ｔ３１の温度範囲毎に復路の目標温度を定めた温度対応表やメモリを内蔵したマイクロコンピュータと、このマイクロコンピュータの指令によりコジェネレーション装置１０を駆動するコジェネレーション駆動回路と、送水ポンプ３０を駆動するポンプ駆動回路とを有している。
【００２７】
図２は、制御装置４０のマイクロコンピュータに記憶される温度対応表を示したものである。該温度対応表としては、図２の（Ａ）に示す寒冷期用温度対応表と、図２の（Ｂ）に示す温暖期用温度対応表との２種類が用意されている。例えば寒冷期用温度対応表では、往路の水温ｔ３１が１０℃未満の場合、復路の設定温度は４０℃、往路の水温ｔ３１が１０℃以上２０℃未満の場合、復路の設定温度は４５℃というように、往路の水温毎に復路の設定温度が決められている。
【００２８】
制御装置４０のマイクロコンピュータは、給湯路２２の水温ｔ２２と熱負荷２５の所望温度とに基づいて、補助熱源駆動回路を操作し、補助熱源２３を制御する。さらに、上記各検温センサＴ１４、Ｔ２２、Ｔ３１、Ｔ３２が検出した水温に基づいてポンプ駆動回路を操作することにより、蓄熱制御を行う。
【００２９】
蓄熱制御にあたっては、まず、制御装置４０のマイクロコンピュータが、日付認識機能が認識した現在の日付にもとづいて、気候が寒冷期にあるか温暖期にあるかを判断し、対応する温度対応表を選択する。次に、選択した温度対応表に従い、往路での検出水温ｔ３１に応じて復路での目標水温を設定し、その設定値になるように送水ポンプの出力を調節する。しばらくして往路の水温が上昇し、温度対応表でより高い温度範囲に到達したら、その範囲に対応した目標水温に、復路での目標水温を設定し直す。この一連の動作を繰り返すことにより、貯湯槽内の水の温度は徐々に上昇していく。
【００３０】
復路の水温が目標水温となるように送水ポンプの出力を調節するにあたっては、制御装置４０がフィードバック制御を行う。例えば、復路の水温ｔ３２が６０℃となるようにフィードバック制御を行う場合、復路の水温ｔ３２が６０℃に比較的近ければ、ポンプ３０の出力を上げて熱交換器１４での水の循環流量を大きくし、復路の水温ｔ３２が６０℃に対して比較的離れているときは、ポンプ３０の出力を下げて水の循環流量を小さくする。
【００３１】
次に、本実施形態によるコジェネレーションシステムが行う蓄熱制御の一例について説明する。日付認識機能が認識した現在の日付により、気候は寒冷期であったとする。この場合、制御装置４０は、図２Ａに示す寒冷期用温度対応表を選択し、この対応表に従って制御を開始する。最初、往路検出温度ｔ３１が５℃であったとする。温度対応表によれば、復路の設定温度は４０℃であり、制御装置４０は、復路の水温が４０℃になるように送水ポンプ３０のフィードバック制御を行う。その結果、復路検温センサＴ３２と貯湯槽２０との間での熱のロスや、貯湯槽２０の放熱により、貯湯槽２０内は３８℃の温水で満たされ、往路検出温度ｔ３１は３８℃となったとする。この場合、温度対応表より、復路の設定温度は５５℃であり、制御装置４０は、復路の水温が５５℃になるように送水ポンプ３０のフィードバック制御を行う。
【００３２】
上記実施形態のように、往路の温度が低いうちは復路の設定温度を、ユーザが使用する４０℃程度にしておけば、熱交換器１４を通る水の循環流量を大きくできるので高効率な熱取得をおこなうことができる。そして往路の温度が高い時は復路の設定温度を、ユーザが追い焚き等に使用する６０℃程度にしておけば、貯湯槽に貯めた温水が二巡目になって往路に４０℃程度の湯が流れても、さらに高温の６０℃の湯を貯めることで熱取得することができ、万が一追い焚きが必要な時にも補助熱源を使用することなく貯湯槽の湯を使用することができ経済的である。特に比較的熱需要の多い寒冷期あるいは北方の地域においては、上記のように復路温度を設定するとその効果は大きい。逆に比較的に熱需要の少ない温暖期あるいは南方の地域においては、往路の温度が低い場合も復路の設定温度を６０℃程度にまで高く設定しておいても良い。そのため、図２（Ｂ）に示す温暖期用温度対応表では、往路の水温ｔ３１が１０℃以上のときは復路の目標水温を一律に６０℃に設定している。
【００３３】
現状では固体高分子形燃料電池の場合、取得上限温度は６０〜７０℃と言われている。そのため貯湯槽内が６０〜７０℃の温水で満たされた時は循環を停止してもよい。その時は燃料電池を適切な温度に保つための冷却ファン等を、コジェネレーション装置１０内部に備え付けても良いし、熱交換器１４に直接上水を通した後、その水を廃棄しても良い。また貯湯槽２０から熱交換器１４に送る水を、いったん冷却装置にて冷却し、水を熱交換器１４に通し、その後また冷却装置に通しても良い。
【００３４】
なお、送水ポンプ３０が駆動されるのは熱交換器１４の伝熱路の水温ｔ１４が往路の水温ｔ３１以上のときのみであり、それ以外のときは送水ポンプ３０は停止される。
【００３５】
寒暖認識手段として、上記日付認識機能に代えて、上水路２１または給水路２１ａに上水温度検出センサを設けても良い。例えば、上水の温度が１５℃以上の時は温暖期と判断し、それ未満は寒冷期と判断する。あるいは、外気温度検出センサを設けても良い。例えば、外気温が２０℃以上の時は温暖期と判断し、それ未満は寒冷期と判断する。判断の基準となる温度はコジェネレーションシステムが設置される地域によって変えても良い。
【００３６】
コジェネレーション装置としての燃料電池は、上記固体高分子形に限定されるものではなく、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形等、種々のものを適用できる。さらに、コジェネレーション装置として、燃料電池の他にディーゼルエンジンやガスタービンエンジンなどの原動機で駆動する発電機を用いることができる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によるコジェネレーションシステムは、コジェネレーションシステムの使用態様に応じた蓄熱制御が行われ、さらに、気候の変化等にも対応して自動的に最適な蓄熱制御方法が選択されるため、コジェネレーション装置で生成された熱を無駄なく蓄熱し、補助熱源の使用を極力避けることができ、結果として、システム全体のエネルギー効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るコジェネレーションシステムを示す概略構成図。
【図２】図１のコジェネレーションシステムにおいて用いられる温度対応表の一例を示す図。
【符号の説明】
１ コジェネレーションシステム
１０ コジェネレーション装置
１４ 熱交換器
１４ａ 伝熱路
２０ 貯湯槽
２３ 補助熱源
３０ 送水ポンプ
３１ 往路
３２ 復路
４０ 制御装置

Claims (8)

1. 電気および熱を生成するコジェネレーション装置と、該コジェネレーション装置内に備えられて前記生成熱を回収する熱交換器と、内部に水が蓄えられる貯湯槽と、該貯湯槽内の水を前記生成熱の取得のために前記熱交換器へ送る往路と、前記熱取得後の水を前記貯湯槽へ戻す復路と、前記往路又は復路の一方に設けられた送水ポンプと、該送水ポンプの出力を調節する制御手段とを備えるコジェネレーションシステムであって、
   前記制御手段は、前記往路の水温の範囲毎に前記復路の目標水温を設定した温度対応表を備え、該温度対応表に従って、前記往路の水温の変化に応じて前記復路の水温が前記目標水温となるように前記送水ポンプの出力を調節することを特徴とするコジェネレーションシステム。
2. 前記温度対応表は、前記往路での水温の範囲が高い温度範囲であるほど、対応する前記復路での目標水温を高い温度に設定していることを特徴とする請求項１に記載のコジェネレーションシステム。
3. 前記温度対応表は、複数備えられており、前記制御手段は、コジェネレーションシステムが使用される状況に応じて、前記複数の温度対応表を適宜選択して使用することを特徴とする請求項１または２に記載のコジェネレーションシステム。
4. 気候の寒暖を認識する寒暖認識手段をさらに有し、前記制御手段は、該寒暖認識手段が認識した気候の寒暖の程度に応じて、前記複数の温度対応表を適宜選択することを特徴とする請求項３に記載のコジェネレーションシステム。
5. 前記寒暖認識手段は、日付に基づき寒暖認識を行うものであることを特徴とする請求項４に記載のコジェネレーションシステム。
6. 前記寒暖認識手段は、上水路の水温を検知する上水検温手段の検知に基づいて寒暖認識を行うものであることを特徴とする請求項４に記載のコジェネレーションシステム。
7. 前記寒暖認識手段は、外気温を検知する外気検温手段の検知に基づいて寒暖認識を行うものであることを特徴とする請求項４に記載のコジェネレーションシステム。
8. 前記制御手段は、コジェネレーションシステムが使用される地域に応じて、前記複数の温度対応表を適宜選択することを特徴とする請求項３に記載のコジェネレーションシステム。

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