JP2007271162A - コジェネレーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 コストや環境への負荷等の所定のパラメータが好ましい状態となるようにコジェネレーションシステムを運転する。
【解決手段】 電気及び熱を住宅３０に供給するコジェネレーションシステム１は、電気と熱とを発生させる発電装置１１と、熱を蓄積する蓄熱装置１２と、蓄熱された熱を排出する排出装置１３と、売買電を行う電気売買装置１４と、電気から熱を発生させる補助装置１５と、管理サーバ２０とを備える。管理サーバ２０は、各装置の動作による所定のパラメータの変動を示したパラメータ情報を記憶した運転計画用データベース２１と、パラメータ情報を参照して、パラメータが予め設定された条件に沿うように発電装置１１及び電気売買装置１４の動作を計画する運転計画部２２と、計画に基づいて各装置の動作を制御する制御部２３と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気及び熱を供給対象に供給するコジェネレーションシステムに関する。

従来から、コジェネレーションシステムにおいて、無駄な電力や熱を発生させずに効率的に運転を行う技術が提案されている（例えば、特許文献１及び２参照）。
特開２００２−２１３３０３号公報 特開２００５−３０２１１号公報

電気の価格は市況によって変動し、燃料の価格は市況による変動のみならず特典がつくなどして常に著しく変動する。このような背景から、コジェネレーションシステムにおいて、無駄な電力や熱を発生させないように運転を行ったとしても、必ずしもコストが安い運転になるとは限らない。また、環境負荷に関しても、購入する電気でも時間等による発電量の違い、発電方法、燃料等により環境への負荷が異なる。自家発電でも発電の大きさによっても発電効率が異なり、環境への負荷が異なる。

本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、コストや環境への負荷等の所定のパラメータが好ましい状態となるように運転す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ことを目的とする。

本発明に係るコジェネレーションシステムは、電気及び熱を供給対象に供給するコジェネレーションシステムであって、供給対象に供給するための電気を発生させると共に、供給対象に供給するための、当該電気の発生に伴う熱を発生させる発電装置と、発電装置により発生した熱を、供給対象に供給するためのものとして蓄積する蓄熱装置と、発電装置により発生した熱と前記蓄熱装置により蓄熱された熱とを排出する排出装置と、発電装置により発生した電気を売電して出力すると共に、供給対象に供給するための電気を買電して入力する電気売買装置と、発電装置により発生した電気及び電気売買装置により買電され入力された電気の少なくとも一方により、供給対象に供給するための熱を発生させる補助装置と、発電装置による電気及び熱の発生、蓄熱装置による熱の蓄積、排出装置による熱の排出、電気売買装置による電気の売電及び買電、並びに補助装置による熱の発生のうちの少なくとも一つによる、所定のパラメータの変動を示したパラメータ情報を記憶した記憶手段と、記憶手段により記憶されたパラメータ情報を参照して、パラメータが予め設定された条件に沿い、かつ供給対象における必要量の電気及び熱を供給できるように、発電装置及び電気売買装置の動作を計画する運転計画手段と、運転計画手段による計画に基づいて、発電装置、電気売買装置及び補助装置の動作を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。

本発明に係るコジェネレーションシステムでは、発電装置及び電気売買装置の動作を当該動作によるパラメータが予め設定された条件に沿い、かつ供給対象における必要量の電気及び熱を供給できるように計画できる。従って、本発明に係るコジェネレーションシステムによれば、所定のパラメータが好ましい状態となるように運転することができる。

所定のパラメータはコストであり、設定された条件は当該コストの最小化であることが望ましい。この構成によれば、コストを小さくするように運転することができる。

所定のパラメータは所定の気体の排出量であり、設定された条件は当該排出量の最小化であることが望ましい。この構成によれば、所定の気体の発生による環境への負荷を小さくするように運転することができる。

コジェネレーションシステムは、供給対象に供給された電力及び熱量を記録する記録手段と、記録手段により記録された供給対象に供給された電力及び熱量の情報に基づいて、供給対象における電気及び熱の必要量を算出して設定する必要量算出手段と、を更に備えることが望ましい。この構成によれば、過去の供給量に基づいた、電気及び熱の適切な供給を行うことが可能になる。

供給対象における電気及び熱の必要量は、時刻に応じた必要量であり、運転計画手段は、時刻に応じた動作を計画する、ことが望ましい。この構成によれば、時刻に応じた適切な運転を行うことが可能になる。

本発明によれば、発電装置及び電気売買装置の動作を当該動作によるパラメータが予め設定された条件に沿い、かつ供給対象における必要量の電気及び熱を供給できるように計画できるので、所定のパラメータが好ましい状態となるように運転することができる。

以下、図面とともに本発明に係るコジェネレーションシステムの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に本実施形態に係るコジェネレーションシステム１の構成を示す。本実施形態に係るコジェネレーションシステム１は、１つのエネルギー源（燃料）から電気と熱とを発生させて、発生させた電気と熱とを供給対象に供給するシステムである。図１に示すように、コジェネレーションシステム１は、電気及び熱の発生、供給、排出に係る各装置１１〜１５と、これらの装置１１〜１５の運転を計画して制御する管理サーバ２０とを含んで構成されている。コジェネレーションシステム１における、電気及び熱の供給対象は、住宅３０である。供給された電気は、住宅３０において光や生活上の様々なものために用いられる。供給された熱は、住宅３０において、暖房や給湯のために用いられる。

コジェネレーションシステム１に含まれる電気及び熱の発生、供給、排出に係る各装置１１〜１５は、図１に示すように、発電装置１１と、蓄熱装置１２と、排出装置１３と、電気売買装置１４と、補助装置１５とである。

発電装置１１は、燃料により発電を行い、住宅３０に供給するための電気を発生させる装置である。また、発電装置１１は、住宅３０に供給するための、当該電気の発生に伴う熱を発生させる装置でもある。発電に用いられる燃料としては、例えば、灯油等がある。発電装置１１により発生した電気は電気売買装置１４に送られる。電気の伝達は、装置間に電気線を設けて、当該電気線により行われる。発電装置１１により発生した熱は、蓄熱装置１２に送られる。熱は、具体的には蒸気又は温水として発生して、熱の伝達は、装置間に蒸気又は温水を通すための管を設けて、当該管により行われる。発電装置１１による発電は、管理サーバ２０により制御される。

蓄熱装置１２は、発電装置１１により発生した熱を、前記供給対象に供給するためのものとして蓄積する装置である。蓄熱装置１２は蓄熱した熱を住宅３０に供給する。

排出装置１３は、発電装置１１により発生して蓄熱装置１２により蓄熱された熱を排出する装置である。排出装置１３により排出される熱は、住宅３０に供給されない廃熱である。

電気売買装置１４は、発電装置１１から電気を受け取り、受け取った電気を住宅３０に供給し、また当該電気を売電して売却先に出力する装置である。電気売買装置１４は、電気を買電して購入元から入力して、入力された電気を住宅３０に供給する装置である。電気売買装置１４による電気の供給、及び電気の売買は、管理サーバ２０により制御される。

補助装置１５は、電気売買装置１４からの電気により、住宅３０に供給するための熱を発生させる装置である。補助装置１５により発生した熱は、住宅３０に送られる。補助装置１５による熱の発生は、蓄熱装置１２から住宅３０に供給される熱が不足している場合等に補助的に行われる。補助装置１５による熱の発生は、管理サーバ２０により制御される。

コジェネレーションシステム１における、上記の各装置１１〜１５は、従来のコジェネレーションシステムで用いられている装置を用いることができる。

管理サーバ２０は、これらの装置１１〜１５の運転計画を作成して制御する装置である。管理サーバ２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリ等をハードウェアとして備えるサーバ装置により構成され、これらの構成要素が動作することにより後述するコジェネレーションシステム１の制御のための機能が実現される。管理サーバ２０は、住宅３０に供給された電気及び熱の量の情報を取得するため、住宅３０に接続されている。また、管理サーバ２０は、発電装置１１、電気売買装置１４及び補助装置１５に制御信号を送信するために、これらの装置との間で通信が可能になっている。

図１に示すように、管理サーバ２０は、運転計画用データベース２１と、運転計画部２２と、制御部２３と、使用量データベース２４と、必要量設定部２５とを備えて構成されている。

運転計画用データベース２１は、上気の各装置１１〜１５の動作によるパラメータの変動を示したパラメータ情報を記憶した記憶手段である。本実施形態において、パラメータはコジェネレーションシステム１の運転コストである。具体的には、図２に示すような各情報を保持している。パラメータ情報としては、例えば、電気売買装置１４により電気が売買されたときの１ＫＷあたりの価格の情報である。この情報は、時間帯に応じた値になっていてもよい。他には、例えば、発電装置１１により用いられる燃料の価格の情報である。更に、これらの情報に関する割引情報等も含まれていてもよい。

また、運転計画用データベース２１は、上記のパラメータ情報以外にも、各装置１１〜１５の動作を計画するために必要な情報についても記憶している。例えば、発電装置１１における発電効率（単位量あたりの燃料で発生させることができる電力及び熱量）の情報である。また、住宅３０における電力及び熱量の必要量の初期設定値も、上記の必要な情報に相当する。運転計画用データベース２１に記憶されている各情報は、予めオペレータ等により入力されている。また、例えば、管理サーバ２０をインターネット等のネットワークに接続しておき、ネットワークから自動的に最新データを取得するようにしておいてもよい。

運転計画部２２は、運転計画用データベース２１により記憶されたパラメータ情報を含む情報を参照して、パラメータが予め設定された条件に沿い、かつ住宅３０における必要量の電気及び熱を供給できるように、発電装置１１及び電気売買装置１４の動作を計画する運転計画手段である。上記の予め設定された条件とは、コストを最小にするという条件である。動作の計画は、例えば、１日を２時間毎の時間帯（時刻）に分けて、各装置の運転スケジュールを作成することにより行う。具体的には、例えば、図３に示すように、時間帯毎の住宅３０における必要電力と必要熱量に対して、発電装置１１での発電量（Ｅ１）及び発生熱量（Ｔ１）と、電気売買装置１４での買電量（Ｅ２）（マイナスの場合は売電を行う）とを計画する。計画は１日単位で行われ、計画対象日の直前（例えば午前０時の直前）等に定期的に行われる。更に具体的には、コジェネレーションシステム１における処理の説明で述べる。

制御部２３は、運転計画部２２による計画に基づいて、発電装置１１、電気売買装置１４及び補助装置１５の動作を制御する制御手段である。制御は、各装置に制御信号を送信することにより行われる。

使用量データベース２４は、住宅３０へ供給された電力及び熱量の情報を記憶する手段である。この情報は、例えば、時間帯毎に記憶される。また、曜日、季節、天候等の情報も供給された電力及び熱量の情報に対応付けて格納されている。また、電気及び熱が供給された日が祝日である等の特定の日であることの情報も対応付けられている。

必要量設定部２５は、使用量データベース２４に格納されている住宅３０へ（過去に）供給された電力及び熱量の情報に基づいて、住宅３０における電気及び熱の必要量を算出して設定する必要量算出手段である。また、必要量設定部２５は、住宅３０から、当該住宅３０に供給された電気及び熱の量の情報を取得して、使用量データベース２４に格納して記録する記録手段でもある。必要量の算出は、具体的には例えば、計画対象日と曜日、季節等の条件が同一、あるいは類似している日のデータを取得して、それらのデータを平均することにより行われる。

また、必要量設定部２５は、住宅３０から取得した、当該住宅３０に供給され使用された電気及び熱の量の情報に基づいて、各装置の動作の計画の補正を行う必要があるか否か判断する。補正の必要がある場合、運転計画部２２に対して、再度運転スケジュールを計画させる。補正の要否の判断については、より詳細に後述する。

以上がコジェネレーションシステム１の構成である。引き続いて、図４のフローチャートを用いて本実施形態に係るコジェネレーションシステム１で実行される処理を説明する。この処理は、管理サーバ２０において、各装置の運転スケジュールを計画する際に行われる。この処理は、例えばタイマをトリガとして定期的に自動で行われてもよいし、オペレータによる操作をトリガとして行われてもよい。

まず、管理サーバ２０では、運転計画部２２により、住宅３０における電気及び熱の必要量の設定が行われる。そのために、運転計画部２２から必要量設定部２５に対して、住宅３０における電気及び熱の必要量の計算のためのコジェネレーションシステム１の運転記録（即ち、当該住宅３０に供給され使用された電気及び熱の量）が使用量データベース２４に格納されているか否かが確認される。必要量設定部２５は、上記運転記録が使用量データベース２４に格納されているか否かを、使用量データベース２４を参照して判断する（Ｓ０１）。

上記運転記録が使用量データベース２４に格納されていると判断された場合、必要量設定部２５により、計画対象の期間の住宅３０における電気及び熱の必要量が計算される（Ｓ０２）。上述したように、必要量は時間帯毎に求められる。計算された必要量の情報は、運転計画部２２に、運転スケジュールの作成のために送信される。運転計画部２２は、当該情報を受信して、その情報を必要量の情報として設定する。

上記運転記録が使用量データベース２４に格納されていないと判断された場合、必要量設定部２５により、その旨が運転計画部２２に通知される。通知を受けた運転計画部２２は、運転計画用データベース２１から、計画対象の期間の住宅３０における電気及び熱の必要量の初期設定値の情報を読み出し、その情報を必要量の情報として設定する（Ｓ０３）。

続いて、運転計画部２２では、運転スケジュールを作成する（Ｓ０４）。運転スケジュールは、設定された計画対象の期間の住宅３０における電気及び熱の必要量が供給されるように、作成される。また、運転スケジュールは、コストが最小になるように作成される。運転計画部２２は、運転スケジュールの作成において、必要に応じて運転計画用データベース２１に記憶されたコスト情報（パラメータ情報）を参照する。具体的には、例えば、以下のように行われる。

Ｅを住宅３０における電気の必要量、Ｅ１を発電装置１１での発電量、Ｅ２を電気売買装置１４での買電量、Ｅ３を補助装置１５での熱への発生に用いられる電力、Ｔを住宅３０における熱の必要量、Ｔ１を発電装置１１での発生熱量、Ｔ２を補助装置１５での発生熱量、Ｘを発電装置１１で用いられる燃料の量とする。
各時間帯においてＥ１＋Ｅ２−Ｅ３がＥを下回らないこと
各時間帯においてＴ１＋Ｔ２がＴを下回らないこと
Ｔ２＝αＥ３（ここで、αは補助装置１５における熱発生効率を表す係数であり、運転計画用データベース２１に記憶された情報である）
Ｔ１＝βＸ（ここで、ベータは補助装置１５における熱発生効率を表す係数であり、運転計画用データベース２１に記憶された情報である）
運転計画部２２は、上記の条件を満たして、コストが最小となるＥ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｔ１，Ｔ２，Ｘの組み合わせを見つける。具体的には例えば、条件を満たすようにＥ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｔ１，Ｔ２，Ｘそれぞれの値を少しずつ変化させながら、それらの組み合わせについてコストの値を求めることにより行う。当該組み合わせが、図３に示すような運転スケジュールとなる。

例えば、必要な電気量が２０００Ｗ、必要な熱量が２０００ＫＪ、買電価格が３０円／ＫＷｈ、売電価格が１０円／ＫＷｈ、燃料である灯油価格が７０円／ｌであったとき、上記の値（の一部）の組み合わせと、その場合の総コストの組み合わせは、図５に示すようなものとなる。その場合、発電装置１１での発電量を１８００Ｗとし、電気売買装置１４での買電量を２００Ｗとするのが、コストを最小とする。運転計画部２２はその組み合わせを運転スケジュールとする。

また、必要な電気量が２０００Ｗ、必要な熱量が０ＫＪ、買電価格が夜間料金等で８円／ＫＷｈであったとき（他の条件は上記と同様）、上記の値（の一部）の組み合わせと、その場合の総コストの組み合わせは、図６に示すようなものとなる。その場合、発電装置１１での発電量を０Ｗとし、電気売買装置１４での買電量を２０００Ｗとするのが（即ち、発電を全くせずに全て買電する）、コストを最小とする。運転計画部２２はその組み合わせを運転スケジュールとする。

運転スケジュールの作成において、燃料や売買電の価格は、１ヶ月の使用量に応じて変化する。このため一月の使用量を推定して計算しなければならない。価格（計算価格は）例えば、以下のように推定する。

まず、運転計画部２２は、必要量設定部２５を介して使用量データベース２４から、月初めから現在までの電気及び燃料の使用量の情報を取得する。この情報を元に、このままのペースで使用した場合、月の終わり（３０日）にどの程度になるか推定する。例えば、最近一週間分の数値を図７に示すように最小二乗法により直線化し、直線と３０日がぶつかったところを推定使用量とする。推定使用量での価格を、運転スケジュールの作成に用いる価格とする。月初めでデータがない場合は、例えば、運転計画用データベース２１に記憶させておいた先月の価格を使用することとしてもよい。

なお、コストを最小にする運転スケジュールについては、必ずしも上記の方法を用いる必要はない。

上記のように作成された運転スケジュールの情報は、運転計画部２２から制御部２３に送られる。制御部２３は、この情報に基づいて、発電装置１１、電気売買装置１４及び補助装置１５の動作を制御することにより、コジェネレーションシステム１の運転を行う（Ｓ０５）。制御は、制御による結果が運転スケジュールの値となるように、各装置に制御信号を送信することにより行われる。

このように運転が行われている間、必要量設定部２５により、住宅３０から、当該住宅３０に供給され使用された電気及び熱の量の情報を取得する。取得した電気及び熱の量の情報は、次の運転スケジュールの作成の際に必要量の計算等のために使用量データベース２４に格納される。その一方、取得した電気及び熱の量の情報を監視値として、運転スケジュールにおける対応する値と比較する（Ｓ０６）。比較は、例えば、監視値と運転スケジュールにおける値との差をとることにより行われる。

続いて、必要量設定部２５は、運転スケジュールの補正を行う必要があるか判断する（Ｓ０７）。この判断は、例えば、上記の監視値と運転スケジュールにおける値との差が予め必要量設定部２５に記憶された閾値よりも大きくなっているか否かを判断することにより行われる。補正の必要があると判断された場合は、必要量設定部２５は、運転計画部２２に、再度運転スケジュールを作成させる（Ｓ０４）。その際の必要量として、例えば、上記の監視値が設定される。運転スケジュールが作成されたら、上記と同様にその情報に基づいて、制御部２３が制御を行う（Ｓ０５）。補正の必要がないと判断された場合は、引き続き制御部２３による制御が行われる（Ｓ０５）。このように監視と制御とを繰り返し行い、住宅３０への電気及び熱の供給が適切になるようにする。

なお、補正が必要である場合、必ずしも改めて運転スケジュールを作成する必要はなく、例えば、買電を増やす等の単純な制御の変更で対応できる場合、そのように対応してもよい。

上述したように本実施形態によれば、住宅３０の必要量を満たした上で、コストが最小化するように発電装置１１及び電気売買装置１４の動作を制御することができる。また、本実施形態のように、必要量を過去の供給量に基づいたものとすれば、電気及び熱の適切な供給を行うことが可能になる。更に、本実施形態のように時間帯（時刻）に応じた運転スケジュールを計画するようにすれば、時間帯（時刻）に応じた適切な運転を行うことが可能になる。

なお、上記の実施形態では住宅３０は、例えば、マンション等複数の世帯を含むものでもよい。また、世帯毎に予め、電気及び熱の使用できる量を設定しておき、限界が近づいた場合に、当該世帯の端末に警告を行うような機能を含めてもよい。

また、上記の実施形態では、コストを最小化することとしたが、別のパラメータ、例えばコジェネレーションシステム１による環境に悪影響を与える所定の気体（例えば、ＣＯ_２）の排出量を最小化することとしてもよい。その場合、図８に示すように、運転計画用データベース２１には、各装置の動作によるＣＯ_２の排出量の情報が記憶される。電気売買装置１４により買電されたときの１ＫＷあたりのＣＯ_２の排出量の情報である。この構成によれば、ＣＯ_２等の所定の気体の発生による環境への負荷を小さくするようにコジェネレーションシステム１を運転することができる。

本発明の実施形態に係るコジェネレーションシステムの構成を示す図である。 運転計画用データベースに記憶されるパラメータ情報であるコストの情報を示す図である。 運転計画部により計画される運転スケジュールの一例を示す図である。 本発明の実施形態に係るコジェネレーションシステムで実行される処理を示すシーケンス図である。 運転計画部により運転スケジュールの計画に用いられるデータの例を示す図である。 運転計画部により運転スケジュールの計画に用いられるデータの別の例を示す図である。 燃料や売買電の価格の導出に用いられるデータをグラフ化した図である。 運転計画用データベースに記憶されるパラメータ情報であるＣＯ_２の排出量の情報を示す図である。

符号の説明

１…コジェネレーションシステム、１０…管理サーバ、１１…発電装置、１２…蓄熱装置、１３…排出装置、１４…電気売買装置、１５…補助装置、２０…管理サーバ、２１…運転計画用データベース、２２…運転計画部、２３…制御部、２４…使用量データベース、２５…必要量設定部、３０…住宅。

Claims (5)

1. 電気及び熱を供給対象に供給するコジェネレーションシステムであって、
   前記供給対象に供給するための電気を発生させると共に、前記供給対象に供給するための、当該電気の発生に伴う熱を発生させる発電装置と、
   前記発電装置により発生した熱を、前記供給対象に供給するためのものとして蓄積する蓄熱装置と、
   前記発電装置により発生した熱と前記蓄熱装置により蓄熱された熱とを排出する排出装置と、
   前記発電装置により発生した電気を売電して出力すると共に、前記供給対象に供給するための電気を買電して入力する電気売買装置と、
   前記発電装置により発生した電気及び電気売買装置により買電され入力された電気の少なくとも一方により、前記供給対象に供給するための熱を発生させる補助装置と、
   前記発電装置による電気及び熱の発生、前記蓄熱装置による熱の蓄積、前記排出装置による熱の排出、前記電気売買装置による電気の売電及び買電、並びに前記補助装置による熱の発生のうちの少なくとも一つによる、所定のパラメータの変動を示したパラメータ情報を記憶した記憶手段と、
   前記記憶手段により記憶されたパラメータ情報を参照して、前記パラメータが予め設定された条件に沿い、かつ前記供給対象における必要量の電気及び熱を供給できるように、前記発電装置及び前記電気売買装置の動作を計画する運転計画手段と、
   前記運転計画手段による計画に基づいて、前記発電装置、前記電気売買装置及び前記補助装置の動作を制御する制御手段と、
   を備えるコジェネレーションシステム。
2. 前記所定のパラメータはコストであり、前記設定された条件は当該コストの最小化であ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. 前記所定のパラメータは所定の気体の排出量であり、前記設定された条件は当該排出量の最小化であ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。
4. 前記供給対象に供給された電力及び熱量を記録する記録手段と、
   前記記録手段により記録された前記供給対象に供給された電力及び熱量の情報に基づいて、前記供給対象における電気及び熱の必要量を算出して設定する必要量算出手段と、
   を更に備える請求項１〜３の何れか一項に記載のコジェネレーションシステム。
5. 前記供給対象における電気及び熱の必要量は、時刻に応じた必要量であり、
   前記運転計画手段は、時刻に応じた動作を計画する、
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のコジェネレーションシステム。
   

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