JP2006283622A - コージェネレーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】負荷変動の予測に基づいて計画された最適運転スケジュールに、使用者の設定する予約運転スケジュールを重畳して運転されるコージェネレーシステムを提供する。
【解決手段】運転スケジュールに基づいてコージェネレーションシステムの出力の増減あるいは始動／停止を行うスケジューリング手段１０と、前記コージェネレーションシステムによる省エネルギー効果が最大になるように前記運転スケジュールを最適化する運転スケジュール最適化手段１８とからなるコージェネレーションシステムにおいて、使用者が設定入力する予約運転スケジュールを前記運転スケジュールに重畳する予約運転スケジュール重畳手段９を備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、コージェネレーションシステム、特に負荷変動の予測に基づいて最適運転スケジュールを計画するとともに、使用者の設定する予約運転スケジュールを前記最適運転スケジュールに重畳して運転されるコージェネレーションシステムに関する。

例えば、ガスエンジンを動力とする発電機、あるいはガスを改質して得られる水素を使う燃料電池で発電を行って電力を供給するとともに、ガスエンジンや燃料電池で発生する排熱を回収して、その熱を給湯や空調の熱源として利用するコージェネレーションシステム（電熱併給システム)は、従来は環境中に捨てられていた排熱を有効利用することにより、省エネルギーを図るものである。

さて、一般に電力負荷と熱負荷の大きさは互い独立して変動するが、コージェネレーションシステムは電力と熱の出力を独立して制御できない。電力と熱の出力は、システムの構成と入力した燃料の量によって一意に決まる量だからである。つまり、電力の需要に合わせて運転すると、熱が余剰になったり、あるいは、熱の需要に合わせて運転すると、電力が余剰になったりして、余剰な熱や電力を捨てなければならない状況が発生し、省エネルギーあるいはコスト削減の目的に反することになる。そこで、コージェネレーションシステムを省エネルギー効果が最大になる出力、あるいはエネルギーコストが最小になる出力で運転し、不足する電力や熱は商用電源や補助熱源から供給を受けることが行われている。

例えば、特許文献１には、過去の施設の電力負荷実績及び熱負荷実績から、運転計画の計画対象時期における施設の予測電力負荷及び予測熱負荷を予測する工程と、予測電力負荷に対してコジェネレーション装置の電主運転を行なった場合のコジェネレーション装置の熱出力を導出する工程と、前記予測熱負荷の積算値と前記熱出力の積算値とを比較して、計画対象時期においてコジェネレーション装置の電主運転を行なう運転時間帯を決定する工程とを実行するコジェネレーション装置の運転計画方法が提案されている。

また、特許文献２には、熱と電力を発生する熱電併給装置と、熱電併給装置の熱を回収して温水として貯えるための貯湯装置と、熱電併給装置を運転制御するための制御手段とを備えたコージェネレーションシステムの運転制御装置において、前記制御手段は、１週間の曜日に対応する７つの過去負荷データを作成し、特定日の翌日の曜日に対応する過去負荷データと、特定日の実負荷データとを処理して特定日の翌日の予測負荷データを作成し、この予測負荷データを用いて熱電併給装置を運転制御することが開示されている。

また、特許文献３には、負荷記憶手段に記憶された各時間帯における電力負荷、暖房負荷、給湯負荷の消費量予測値に基づき、各時間帯でコージェネレーション装置が出力する電力量に対する有効消費エネルギーを算出する有効消費エネルギー算出手段と、有効消費エネルギーを商用電源等で賄った場合に必要な一次消費エネルギーと有効消費エネルギーとの差である省エネ量を算出する省エネ性評価手段と、各時間帯における発電出力と省エネ量との関係を算出し１日の省エネ量の総和が最大となるように各時間帯において発電量を決定する発電出力最適化手段とを備えるコージェネレーション・システムの出力制御装置が提案されている。
特開２００３−６１２４５号公報 特開２００４−４８８３８号公報 特開２００５−１２９０６号公報

特許文献１乃至特許文献３に係る装置および方法は、コージェネレーションシステムに加わる負荷の変動を実績に基づいて予測し、その予測に基づいて、コージェネレーションシステムの運転時間や各時間毎の発電量（以下、運転スケジュール）を最適化するので、コージェネレーションシステムによる省エネルギー効果、エネルギーコスト削減効果を最大にすることができる。

しかしながら、これらの装置および方法は、予測に基づいて運転スケジュールを決定しているので、予定外の需要に対応することが難しいという問題がある。例えば、家庭向けシステムにあっては、特別な行事のための電力需要、旅館・飲食店向けのシステムにあっては、大口顧客の受け入れのための電力需要、工場向けのシステムにあっては、生産計画の変更のための電力需要の変動などに対応することが難しく、これらの電力需要を商用電源でまかなっているので、省エネルギー効果、エネルギーコスト削減効果が薄れるという問題がある。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、負荷変動の予測に基づいて計画された最適運転スケジュールに、使用者の設定する予約運転スケジュールを重畳して運転されるコージェネレーシステムを提供することを目的とする。

本発明に係るコージェネレーションシステムの第１の構成は、電力負荷に電力を供給する発電装置および前記発電装置の排熱を回収して熱負荷に供給する熱供給装置を有する電熱併給装置と、運転スケジュールに基づいて電熱併給装置の出力の増減あるいは始動／停止を行うスケジューリング手段と、前記電熱併給装置による省エネルギー効果が最大になるように前記運転スケジュールを最適化する運転スケジュール最適化手段とからなるコージェネレーションシステムにおいて、使用者が設定入力する予約運転スケジュールを前記運転スケジュールに重畳する予約運転スケジュール重畳手段を備えることを特徴とする。

この構成によれば、使用者が設定入力する予約運転スケジュールを運転スケジュールに重畳するので、電力需要の変動に対応するコージェネレーションシステムの運転スケジュールの変更が容易になる。

本発明に係るコージェネレーションシステムの第２の構成は、前記第１の構成において、前記予約運転スケジュールが設定入力された場合に、前記運転スケジュール最適化手段は、前記運転スケジュールの策定期間のうち前記予約運転スケジュールが重畳されていない期間について、前記運転スケジュールを再最適化することを特徴とする。

この構成によれば、前記運転スケジュールの策定期間のうち前記予約運転スケジュールが重畳されていない期間について、前記運転スケジュールを再最適化するので、予約運転スケジュールが重畳された後で、省エネルギーを図ることができる。

本発明に係るコージェネレーションシステムの第３の構成は、前記第１又は第２の構成において、回収した前記排熱を蓄熱する蓄熱手段を備えることを特徴とする。

この構成によれば、前記排熱を蓄熱する蓄熱手段を備えたので、予約運転スケジュールが重畳されることによって生じた余剰な熱を、予約運転スケジュール終了後に利用できるので省エネ効果が向上する。

本発明に係るコージェネレーションシステムの第４の構成は、前記第１乃至第３いずれかの構成において、前記運転スケジュール最適化手段は、前記電力負荷の電力需要と前記熱負荷の熱需要の予測値を記憶する負荷記憶手段；前記運転スケジュールに従って前記電熱併給装置が消費する消費エネルギーＱ_ｃを算出する消費エネルギー算出手段；前記電力需要および熱需要の予測値に基づいて、前記運転スケジュールに従って前記電熱併給装置が供給するエネルギーの内、前記電力負荷および前記熱負荷で有効に利用される有効エネルギーを算出する有効エネルギー算出手段；前記有効エネルギーを商用電源又は通常の給湯器で賄う場合に、前記商用電源又は通常の給湯器が消費する１次消費エネルギーＱ_ｃｐを算出する１次消費エネルギー算出手段；前記１次消費エネルギーＱ_ｃｐと前記消費エネルギーＱ_ｃの差（Ｑ_ｃｐ−Ｑ_ｃ）、又は前記１次消費エネルギーＱ_ｃｐと前記消費エネルギーＱ_ｃの比（Ｑ_ｃｐ／Ｑ_ｃ）を算出し、前記差又は比を前記運転スケジュールの策定期間について積算して得られる値を省エネ指標として算出する省エネ指標算出手段；を備えるとともに、前記省エネ指標が最大になるように前記運転スケジュールを最適化することを特徴とする。

この構成によれば、商用電源による電力生産等に消費される１次消費エネルギーに対して、電熱併給装置が消費する消費エネルギーが最小になるように、運転スケジュールが最適化されるので、省エネ効果が向上する。

本発明に係るコージェネレーションシステムの第５の構成は、前記第４の構成において、前記省エネ指標算出手段は、前記消費エネルギーＱ_ｃに代えて、前記電熱併給装置の燃料購入コストを、前記１次消費エネルギーＱ_ｃｐに代えて、前記商用電源の電力購入コスト又は前記通常の給湯器の燃料購入コストをそれぞれ用いて前記省エネ指標を算出することを特徴とする。

この構成によれば、コージェネレーションシステムの使用によって生じるコスト削減効果が最大になるように、運転スケジュールが最適化されるので、コスト削減効果が向上する。

以上説明したように、本発明によれば、電力需要の変動に対応するコージェネレーションシステムの運転スケジュールの変更が容易になるので、使用者にとって使いやすいコージェネレーションシステムを提供できる。また運転スケジュールに予約運転スケジュールが重畳された後で、前記運転スケジュールを再度最適化するので、省エネ効果の高いコージェネレーションシステムを提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の実施例を示すコージェネレーションシステムの概念図であり、図２は前記コージェネレーションシステムの制御装置の概念的な制御ブロック図である。

図１において、１はコージェネレーションシステムであり、２は発電機、３は熱交換器、４は貯湯タンク、５は循環ポンプ、６は熱負荷、７は電力負荷、８は制御装置である。

コージェネレーションシステム１は、発電機２と熱交換器３の間を循環する発電機２の冷却水と、貯湯タンク４と熱交換器３の間を循環する湯水の間で熱交換することにより、前記排熱を回収して、貯湯タンク４内に熱水の形で蓄熱し、熱負荷６に供給する電熱併給システムである。なお、循環ポンプ５は前記湯水を圧送して、貯湯タンク４と熱交換器３の間で前記湯水を循環させるポンプである。また、熱負荷６には、例えば温水暖房機、浴槽の追い焚き装置のような前記湯水の熱を利用する装置、あるいはカランやシャワーヘッド等の前記湯水を消費する装置などがある。電力負荷７は電力を消費する各種機器であり、家庭用のシステムならば、テレビ、洗濯機、照明器具、工場用のシステムならば、機械の動力用モータ等がその代表例である。

制御装置８は、コージェネレーションシステム１の運転制御を行うコンピュータであり、コージェネレーションシステム１を構成する機器を支配する。熱負荷６や電力負荷７を支配する場合もある。

図２に示すように、制御装置８は、予約運転スケジュール重畳手段９、スケジューリング手段１０、運転制御手段１１、負荷予測手段１２、負荷記憶手段１３、有効エネルギー算出手段１４、１次消費エネルギー算出手段１５、消費エネルギー算出手段１６、省エネ指標算出手段１７及び運転スケジュール最適化手段１８を備える。

予約運転スケジュール重畳手段９は、コージェネレーションシステム１に通常の予測を超える電力需要が予定されている場合に、当該電力需要に相当する運転スケジュールを使用者が設定入力し、後述する運転スケジュールにそれを重畳する手段である。例えば、２００５年４月５日の午前７時３０分から１１時００分の間に発電機２の最大出力運転を予約する場合に、使用者は制御装置８の図示しないキーボードに"begin：200504050730，end:200504051100,power=max"とキー入力する。

スケジューリング手段１０は、運転スケジュールに従って、コージェネレーションシステム１の起動及び停止、出力の増減を行う手段である。前記運転スケジュールはコージェネレーションシステム１の起動及び停止の時刻、出力の増減を行う時刻、およびその出力を記述したデータであり、所定の策定期間単位（例えば、１週間、２４時間など）について作成され、後述する手順で最適化される。

運転制御手段１１は、スケジューリング手段１０の指令に従って、コージェネレーションシステム１の構成機器を直接制御して、コージェネレーションシステム１を運転する手段である。

負荷予測手段１２は、コージェネレーションシステム１の負荷の変化、つまり熱負荷６の熱需要の時間変化および電力負荷７の電力需要の時間変化を予測する手段である。一般的に、負荷予測は過去の一定期間の運転実績に基づいて行われる。また、過去の実績に季節的な変動等の修正を加えてもよい。なお、負荷を予測する期間は少なくとも、前記運転スケジュールの策定期間と同じ長さが必要である。

負荷記憶手段１３は、負荷予測手段１２が予測したコージェネレーションシステム１の負荷の時間変化を記憶する手段である。

有効エネルギー算出手段１４は、前記運転スケジュールと負荷記憶手段１３が記憶する前記負荷の時間変化の予測値に基づいて、有効エネルギーを算出する手段である。ここで有効エネルギーＱ_ｅとは、コージェネレーションシステム１で熱負荷６および電力負荷７用として発生するエネルギーＱ_ｓの内、熱負荷６および電力負荷７で有効に利用されるエネルギーをいう。前記予測値に基づく熱負荷６および電力負荷７のエネルギー需要Ｑ_ｄに対して、供給エネルギーＱ_ｓが小さければ、Ｑ_ｓは全て熱負荷６および電力負荷７に吸収利用されるから、Ｑ_ｅ＝Ｑ_ｓとなる（不足するエネルギーは他のソース、つまり商用電源などから供給される）。また、Ｑ_ｄよりＱ_ｓが大きければ、Ｑ_ｅ＝Ｑ_ｄとなり、余ったエネルギーＱ_ｓ−Ｑ_ｄは棄てられる。

なお、前段落では有効エネルギーＱ_ｅの説明を簡単にするために、熱と電力の区別をしなかったが、コージェネレーションシステム１においては熱と電力は相互に変換されない（つまり熱の不足を電力で補うこと、及びその逆は出来ない）から、熱負荷６に係る有効エネルギーＱ_ｅと、電力負荷７に係る有効エネルギーＱ_ｅは別個に計算しなければならない。また、コージェネレーションシステム１では、貯湯タンク４を設けて、排熱の回収と消費の時間的ずれをカバーしているので、有効エネルギーＱ_ｅの算出においても考慮する必要がある。

１次消費エネルギー算出手段１５は、１次消費エネルギーＱ_ｃｐを算出する手段である。ここで１次消費エネルギーＱ_ｃｐとは、有効エネルギーＱ_ｅを、商用電源又は通常の給湯器で賄う場合に、商用電源又は通常の給湯器で消費されるエネルギーをいい、下記の式（１）で得られる。

式（１）において、ηは効率であり、商用電源に係る１次消費エネルギーの場合は、発電機の効率、送電効率、変電効率、配電効率等を全て乗じた総合効率であり、給湯器に係る１次消費エネルギーの場合は、給湯器の効率である。

消費エネルギー算出手段１６は、消費エネルギーＱ_ｃを算出する手段である。ここで消費エネルギーＱ_ｃとは、前記運転スケジュールに従ってコージェネレーションシステム１を運転するときに消費されるエネルギーを言う。言い換えれば、有効エネルギーＱ_ｅを、コージェネレーションシステム１で賄うために、発電機２で消費されるエネルギーである。

省エネ指標算出手段１７は、省エネ指標を算出する。ここで、省エネ指標とはコージェネレーションシステム１の省エネ性能を示す指標である。消費エネルギーＱ_ｃに比べて、１次消費エネルギーＱ_ｃｐが大きければ、省エネ性能が高いと言えるから、省エネ指標には、下記の式（２）の省エネ量Ｑ_{ｓａｖｅ、}あるいは下記の式（３）の省エネ効率η_ｓａｖｅのいずれかを前記運転スケジュールの全期間について積算した値を使用する。

なお、省エネ量Ｑ_{ｓａｖｅ、}あるいは省エネ効率η_ｓａｖｅの積算は、これらの値を時間の関数として求めて時間積分しても、離散的に算出して総和を求めてもよい。

運転スケジュール最適化手段１８は、前記省エネ指標が最大になるように前記運転スケジュールを最適化する手段である。なお、最適化の具体的な計算手法については、特許文献３において、本願発明者が開示しているので、ここでは説明を省略する。

また、消費エネルギーＱ_ｃに代えて、コージェネレーションシステム１の燃料購入コストを、１次消費エネルギーＱ_ｃｐに代えて、前記商用電源の電力購入コスト又は前記通常の給湯器の燃料購入コストをそれぞれ用いて前記省エネ指標を算出してもよい。

図３は運転スケジュールへの予約運転スケジュールの重畳を説明する説明図である。図３（ａ）は予約運転スケジュールが重畳される前の運転スケジュールを示す図であり、横軸は０時から２４時までの時間の経過を示し、縦軸は発電機２の出力を示している。

図３（ｂ）に示すように、この運転スケジュールに対して、使用者が、０７：３０から１１：００までの間、発電機２を最大出力で運転する旨の予約運転スケジュールを設定入力する。すると、運転スケジュールは図３（ｃ）のように変更される。

図３（ｃ）に示す運転スケジュールでコージェネレーションシステム１を運転すると、貯湯タンク４に高温の湯水が貯湯されるので、１１：００以降は熱の供給が余剰になる場合がある。また、０７：３０以降に大量の排熱が回収できるとすれば、０７：３０以前に湯水を貯湯する必要がない場合がある。このような場合があるので、０７：３０以前及び１１：００以降の運転スケジュールについて再度最適化を行うと、図３（ｄ）に示すような運転スケジュールが得られる。

このように、予約運転スケジュールを重畳した後で、運転スケジュールを再度、最適化するので、コージェネレーションシステム１の省エネ性を損なわずに運転スケジュールを変更することができる。

本発明の実施例を示すコージェネレーションシステムの概念図である。 図１に示すコージェネレーションシステムの制御装置の概念的な制御ブロック図である。 運転スケジュールへの予約運転スケジュールの重畳を説明する説明図である。

符号の説明

１ コージェネレーションシステム
２ 発電機
３ 熱交換器
４ 貯湯タンク（蓄熱手段）
５ 循環ポンプ
６ 熱負荷
７ 電力負荷
８ 制御装置
９ 予約運転スケジュール重畳手段
１０ スケジューリング手段
１１ 運転制御手段
１２ 負荷予測手段
１３ 負荷記憶手段
１４ 有効エネルギー算出手段
１５ １次消費エネルギー算出手段
１６ 消費エネルギー算出手段
１７ 省エネ指標算出手段
１８ 運転スケジュール最適化手段

Claims (5)

1. 電力負荷に電力を供給する発電装置および前記発電装置の排熱を回収して熱負荷に供給する熱供給装置を有する電熱併給装置と、
   運転スケジュールに基づいて電熱併給装置の出力の増減あるいは始動／停止を行うスケジューリング手段と、
   前記電熱併給装置による省エネルギー効果が最大になるように前記運転スケジュールを最適化する運転スケジュール最適化手段と
   からなるコージェネレーションシステムにおいて、
   使用者が設定入力する予約運転スケジュールを前記運転スケジュールに重畳する予約運転スケジュール重畳手段を備えること
   を特徴とするコージェネレーションシステム。
2. 前記予約運転スケジュールが設定入力された場合に、
   前記運転スケジュール最適化手段は、前記運転スケジュールの策定期間のうち前記予約運転スケジュールが重畳されていない期間について、前記運転スケジュールを再最適化すること
   を特徴とする請求項１に記載のコージェネレーションシステム。
3. 回収した前記排熱を蓄熱する蓄熱手段を備えること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のコージェネレーションシステム。
4. 前記運転スケジュール最適化手段は、
   前記電力負荷の電力需要と前記熱負荷の熱需要の予測値を記憶する負荷記憶手段；
   前記運転スケジュールに従って前記電熱併給装置が消費する消費エネルギーＱ_ｃを算出する消費エネルギー算出手段；
   前記電力需要および熱需要の予測値に基づいて、前記運転スケジュールに従って前記電熱併給装置が供給するエネルギーの内、前記電力負荷および前記熱負荷で有効に利用される有効エネルギーを算出する有効エネルギー算出手段；
   前記有効エネルギーを商用電源又は通常の給湯器で賄う場合に、前記商用電源又は通常の給湯器が消費する１次消費エネルギーＱ_ｃｐを算出する１次消費エネルギー算出手段；
   前記１次消費エネルギーＱ_ｃｐと前記消費エネルギーＱ_ｃの差（Ｑ_ｃｐ−Ｑ_ｃ）、又は前記１次消費エネルギーＱ_ｃｐと前記消費エネルギーＱ_ｃの比（Ｑ_ｃｐ／Ｑ_ｃ）を算出し、前記差又は比を前記運転スケジュールの策定期間について積算して得られる値を省エネ指標として算出する省エネ指標算出手段；
   を備えるとともに、
   前記省エネ指標が最大になるように前記運転スケジュールを最適化すること
   を特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のコージェネレーションシステム。
5. 前記省エネ指標算出手段は、
   前記消費エネルギーＱ_ｃに代えて、前記電熱併給装置の燃料購入コストを、
   前記１次消費エネルギーＱ_ｃｐに代えて、前記商用電源の電力購入コスト又は前記通常の給湯器の燃料購入コストをそれぞれ用いて前記省エネ指標を算出すること
   を特徴とする請求項４に記載のコージェネレーションシステム。
   

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