JP2008206266A - コージェネレーション装置 - Google Patents

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勉 脇谷
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Abstract

【課題】商用電力系統が停電したとき、コージェネレーション装置の出力する電力が商用電力系統に流れ込む逆潮流を防止すると共に、必要な負荷に対しては電力の供給を継続するようにしたコージェネレーション装置を提供する。
【解決手段】商用電力系統12から複数個の電気負荷14a〜14fに至る交流電力の給電路16に接続される発電機32と、給電路に配置される第1のスイッチ24と、給電路に第1のスイッチよりも下流側に配置される第2のスイッチ26b〜26dとを備えると共に、商用電力系統の停電が検出されたとき、第1のスイッチをオフさせて発電機から商用電力系統への電力供給を遮断すると共に、第2のスイッチをオフさせて発電機から複数個の電気負荷の中の通常負荷14a〜14cへの電力供給を遮断する一方、発電機の出力を複数個の電気負荷の中の必要負荷14d〜14fに供給する。
【選択図】図1

Description

この発明はコージェネレーション装置に関し、より具体的には商用電力系統が停電した場合にも必要な負荷に電力を供給するようにしたコージェネレーション装置に関する。
近年、商用電力系統から電気負荷に至る交流電力の給電路に内燃機関で駆動される発電機を接続し、商用電力系統と連系させて電気負荷に電力を供給すると共に、内燃機関の排熱を利用して生成した温水などを熱負荷に供給するようにした、いわゆるコージェネレーション装置が提案されており、その例として例えば、特許文献1記載の技術を挙げることができる。
特開平5−328615号公報
特許文献1記載の技術においては、自家用エンジン発電設備が自家発側負荷に接続されると共に、他の3個の負荷が商用電源設備(商用電力系統)と自家用エンジン発電設備に切り替え自在に接続される。自家発側負荷の運転負荷量が所定値以上の場合、他の3個の負荷は商用側電源設備に接続される一方、運転負荷量が所定値から低下するにつれて他の3個の負荷は順次自家用エンジン発電設備に接続されるように構成される。
ところで、この種のコージェネレーション装置において、商用電力系統が停電したときは、通例、コージェネレーション装置を停止させ、コージェネレーション装置の出力する電力が商用電力系統に流れ込む逆潮流を防止しているが、その場合にも必要な電気負荷に対しては電力の供給を継続することが望ましい。しかしながら、上記した特許文献1記載の技術は停電時の負荷の選択について対策するものではなかった。
従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、商用電力系統が停電したとき、コージェネレーション装置の出力する電力が商用電力系統に流れ込む逆潮流を防止すると共に、必要な負荷に対しては電力の供給を継続するようにしたコージェネレーション装置を提供することにある。
上記した課題を解決するために、請求項1にあっては、商用電力系統から複数個の電気負荷に至る交流電力の給電路に接続される発電機と前記発電機を駆動する内燃機関とを備えると共に、前記内燃機関の排熱を熱負荷に供給するコージェネレーション装置において、前記給電路に配置される第1のスイッチ、前記給電路に前記第1のスイッチよりも下流側の位置に配置される第2のスイッチ、前記商用電力系統の停電が検出されたとき、前記第1のスイッチをオフさせて前記発電機から前記商用電力系統への電力供給を遮断する電力供給遮断手段、および前記発電機から前記商用電力系統への電力供給が遮断された後、前記第2のスイッチをオフさせて前記発電機から前記複数個の電気負荷の中の少なくとも1個の電気負荷への電力供給を遮断する一方、前記発電機の出力を前記複数個の電気負荷の中の残余の電気負荷に供給する電力供給手段を備えるように構成した。
請求項2にあっては、前記残余の電気負荷が、前記発電機の最大出力以下に設定されるように構成した。
請求項1に係るコージェネレーション装置にあっては、商用電力系統から複数個の電気負荷に至る交流電力の給電路に接続される発電機を備えると共に、その給電路に配置される第1のスイッチを備え、商用電力系統の停電が検出されたとき、第1のスイッチをオフさせて発電機から商用電力系統への電力供給を遮断するように構成したので、商用電力系統が停電したとき、コージェネレーション装置の出力する電力が商用電力系統に流れ込む逆潮流を確実に防止することができる。
また、給電路に前記第1のスイッチよりも下流側の位置に配置される第2のスイッチを備えると共に、発電機から商用電力系統への電力供給が遮断された後、第2のスイッチをオフさせて発電機から複数個の電気負荷の中の少なくとも1個の電気負荷への電力供給を遮断する一方、発電機の出力を複数個の電気負荷の中の残余の電気負荷に供給するように構成したので、前記した必要な負荷を残余の電気負荷として予め選択しておくことで、停電時であっても必要な負荷を含む残余の電気負荷に対して電力の供給を継続することができる。
請求項2に係るコージェネレーション装置にあっては、残余の電気負荷が、発電機の最大出力以下に設定されるように構成したので、上記した効果に加え、停電時において、必要な負荷を含む残余の電気負荷に対してより確実に電力の供給を継続することができる。
以下、添付図面に即してこの発明に係るコージェネレーション装置を実施するための最良の形態について説明する。
図1は、この発明の実施例に係るコージェネレーション装置を全体的に示すブロック図である。
図示の如く、コージェネレーション装置(符号10で示す)は、商用電力系統(系統電源)12から電気負荷14に至る交流電力の給電路(電力線。第1の給電路)16に、接続点18を介して接続される発電装置20を備える。商用電力系統12は、単相3線からAC100/200Vで50Hz(または60Hz)の交流電力を出力する。
発電装置20は後述する如く比較的小出力であり、個人住宅などを使用対象とする。電気負荷14は複数個、具体的には6個の交流電気機器14a,14b,14c,14d,14e,14fからなる。6個の電気負荷14の内、図1において上段に図示される3個の電気負荷14a〜14cは、常に使用する必要がない電気機器からなり、例えば14aが洗濯機、14bがエアコンディショナ、14cが電子レンジである。
一方、残余の電気負荷14d〜14fは、常時使用する必要がある(あるいは、停電時にも使用が予測される)電気機器からなり、例えば14dが照明器具、14eが冷蔵庫、14fがテレビである。尚、以下の説明では、電気負荷を特に区別する場合、電気負荷14a〜14cを「通常負荷」、電気負荷14d〜14fを「必要負荷」という。
電気負荷14を動作させたときのそれぞれ消費電力は、通常負荷は例えば14aが0.5kW、14bが0.8kW、14cが1.0kWの計2.3kWとすると共に、必要負荷は14dが0.5kW、14eが0.7kW、14fが0.7kWの計1.9kWとする。
第1の給電路16には、商用電力系統12の側(上流側)から順に、メインブレーカボックス22と、第1のスイッチ24と、配電盤26とが配置され、その下流に電気負荷14が接続される。メインブレーカボックス22の内部には、過電流の通電を防止するメインブレーカ22aが設けられる。
第1のスイッチ24は、図示の如く、第1の給電路16に発電装置20の接続点18よりも上流側(商用電力系統12の側)の位置に配置され、オンされるとき、商用電力系統12を電気負荷14と発電装置20に接続する一方、オフされるとき、電気負荷14などとの接続を遮断し、発電装置20から商用電力系統12への電力供給(逆潮流)を阻止する。
第1の給電路16は、図示の如く、配電盤26内において6本の支路16a,16b,16c,16d,16e,16fに分岐され、図1において上段に図示される3本の支路16a〜16cは、対応するブレーカ26a1,26a2,26a3を介して通常負荷14a,14b,14cに接続される。
他方、残余の支路16d〜16fには、第2から第4のスイッチ26b,26c,26dが配置されると共に、支路16d〜16fは第2から第4のスイッチ26b,26c,26dの電気負荷14の側(下流側)において電力線28によって接続(連結)される。電力線28、正確には、支路16eと支路16fとを結ぶ電力線28には、上記した接続点18を介して発電装置20が接続される。
支路16d〜16fであって電力線28の接続点よりも下流側の位置には、対応するブレーカ26a4,26a5,26a6が配置され、その先端には前記した必要負荷14d,14e,14fが接続される。これにより、第2から第4のスイッチ26b,26c,26dはオンされるとき、発電装置20を通常負荷14a,14b,14cと必要負荷14d,14e,14fの両方に接続する一方、オフされるとき、発電装置20と通常負荷14a,14b,14cなどとの接続を遮断し、必要負荷14d,14e,14fにのみ接続する。
ブレーカ26a1から26a6は、前記したメインブレーカ22aと同様、過電流が流れるときオフし、接続される電気負荷14に過電流が流れるのを防止する。尚、図1に示す如く、メインブレーカボックス22、第1のスイッチ24あるいは配電盤26などは端子を介して接続されるが、端子についての説明は省略する。
発電装置20は、内燃機関(以下「エンジン」という)30と、エンジン30で駆動される発電機32と、発電機32に接続されるインバータ34とを備える。
以下、発電装置20を構成する各要素について説明すると、エンジン30はガソリンを燃料とする水冷4サイクルの単気筒OHV型の火花点火式のエンジンであり、例えば163ccの排気量を備える。エンジン30の冷却水通路(図示せず)は配管36に接続され、配管36はエンジン30のマフラ40の内部に案内された後、貯湯槽(熱負荷)42の内部に案内される。配管36の内部にはエンジン30の冷却水が流通させられる。
エンジン30の駆動によって加熱された冷却水はマフラ40の内部を通過するとき、排気によってさらに加熱されて貯湯槽42に送られ、熱交換によってそこに貯留された貯留水の温度を上昇させて温水を生成する。熱交換で冷却された冷却水は、冷却水通路に戻されてエンジン30を冷却する。
このように、エンジン30の排熱を貯湯槽(熱負荷)42に供給して温水などが生成される。尚、貯湯槽42に貯留された温水は、例えば台所や風呂の給湯設備(図示せず)などの熱負荷に供給される。
発電機32は3相の交流発電機からなり、所定の回転数で回転するように制御されるエンジン30でロータ(図示せず)が駆動され、交流電力を出力する。発電機32の最大発電出力は、例えば2.0kWに設定される。
また、発電機32はエンジン30の始動装置(スタータ)としても機能し、ステータコイル(図示せず)は通電されるとき、ロータを回転させ、ロータに連結されているエンジン30をクランキングして始動する。このように、発電機32はエンジン30の始動装置としての機能と交流電力を出力するジェネレータ(オルタネータ)としての機能とを備えた、いわゆるスタータジェネレータからなる。
インバータ34は、図示の如く、発電機32から出力された交流を直流に整流する3相ブリッジ回路(ドライブ回路)34aと、3相ブリッジ回路34aで整流された直流を所定の電圧値まで昇圧する昇圧回路34bと、昇圧された直流を交流、より具体的には商用電力系統12と同じ周波数の単相3線100/200Vからなる交流に変換するインバータ回路34cとを備える。インバータ回路34cは、IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor)からなるスイッチング素子を複数個備え、それらのスイッチング作用を通じて直流を交流に変換する。
インバータ34はさらに、インバータ回路出力のノイズを除去するチョークコイル34dと、スイッチ34eと、スイッチ34eによるノイズを除去するコモンコイル34fと、コモンコイル出力の電流値を検出する電流センサ(CT(Current Transformer))34gを備える。
スイッチ34eは、オンされるとき、インバータ回路出力を電気負荷14に供給する一方、オフされるとき、その出力を遮断(カット)する。また、チョークコイル34dとスイッチ34eの間には第2の電流センサ34hが接続され、そこを流れる交流電力の電流を示す出力を生じる。
インバータ34は、第2の給電路44と接続点18を介して第1の給電路16の支路16e,16fを結ぶ電力線28に接続される。これにより、インバータ34から出力される交流電力は、第2の給電路44、接続点18、電力線28、第1の給電路16、第2から第4のスイッチ26b,26c,26dおよびブレーカ26a1〜26a3を介して通常負荷14a〜14cに供給されると共に、第2の給電路44、接続点18、電力線28、第1の給電路16およびブレーカ26a4〜26a6を介して必要負荷14d〜14fに供給される。尚、インバータ34と第2の給電路44の間にはノイズフィルタ46が介挿され、インバータ34の出力からノイズを除去する。
コージェネレーション装置10はさらに、マイクロコンピュータからなる電子制御ユニット(ECU(Electronic Control Unit))50と、第1の給電路16に接続された電流・電圧センサ52とを備える。電流・電圧センサ52は、第1の給電路16を流れる交流電力の電圧、電流および位相(正弦波)に応じた信号を出力し、ECU50に送出する。
ECU50は電流・電圧センサ52の出力に基づき、商用電力系統12が第1の給電路16を通じて交流電力を供給しているか(正常か)あるいは交流電力を供給していないか(停電しているか)を検出すると共に、交流電力を供給しているときはその位相などを検出する。
ECU50は、商用電力系統12による交流電力の供給が検出される(停電していない)と共に、発電装置20を動作させるとき、商用電力系統12の位相などを検出し、検出値などに基づき、インバータ回路34cなどの動作を制御して発電機32を同期運転する。さらに、ECU50は検出値などに基づき、第1のスイッチ24、第2から第4のスイッチ26b,26c,26dなどの動作を制御するが、それについては後述する。
コージェネレーション装置10は、発電装置20に加え、直流電力を貯留するバッテリ60と、バッテリ60に電力線62を介して接続され、バッテリ60の出力の昇圧などを行うDC/DCコンバータ部64とを備える。
バッテリ60は、ニッケル水素(Ni−MH)電池を適宜な個数だけ直列接続してなり、例えば12Vの直流電力を貯留する。DC/DCコンバータ部64は、図示しないIGBTのスイッチング作用によって入力された電力の電圧を所期の電圧値となるまで昇圧・降圧する第1、第2のDC/DCコンバータ64a,64bと、アノード端子がインバータ34の出力側に、カソード端子が第2のDC/DCコンバータ64b側に接続されるダイオード64cと、スイッチ64dとを備える。
バッテリ60の出力は、第1のDC/DCコンバータ64aで所定の電圧に昇圧されてスイッチ64dに送られる。スイッチ64dはオンされるとき、第1のDC/DCコンバータ64aで昇圧されたバッテリ60の出力を切替スイッチ(後述)66に供給する一方、オフされるとき、その出力を遮断(カット)する。
切替スイッチ66は、3相ブリッジ回路34aに接続される第1の端子66aと、昇圧回路34bに接続される第2の端子66bの間を切り替え自在に構成され、DC/DCコンバータ部64のスイッチ64dがオンされると共に、第1の端子66aが選択されるとき(具体的には、エンジン30を始動させるとき)、バッテリ60はインバータ34の3相ブリッジ回路34aに接続されて発電機32を駆動する一方、第2の端子66bが選択されるとき、昇圧回路34b(別言すれば、インバータ34のインバータ回路34c)に接続されて発電機32の出力と合わせて電気負荷14に供給される。
尚、インバータ34から出力された交流電力は、所定の運転状態でダイオード64cによって直流に変換されて第2のDC/DCコンバータ64bに入力され、そこで適宜な電圧に降下させられた後、バッテリ60に供給されて充電(チャージ)する。
図2は、コージェネレーション装置10の動作、より具体的にはECU50の動作の内、第1から第4のスイッチ24,26b,26c,26dの動作の制御などを示すフロー・チャートである。
以下説明すると、先ずS10において商用電力系統12が停電したか否か判断する。これは前記した電流・電圧センサ52の出力に基づいて判断する。具体的には、電流・電圧センサ52から所期の交流電力を示す信号が出力されているときは商用電力系統12が正常と判断する一方、出力されていないときは商用電力系統12が停電したと判断する。
S10で否定されて商用電力系統12が正常と判断されるときはS12に進み、第1のスイッチ24をオンして商用電力系統12を電気負荷14に接続する。次いでS14に進み、第2から第4のスイッチ26b,26c,26dをオンして発電装置20を電気負荷14(換言すれば、通常負荷14a,14b,14cと必要負荷14d,14e,14fの両方)に接続する。
これにより、電気負荷14には商用電力系統12の電力と発電装置20の電力の両方が供給される。このとき、ECU50は、発電装置20を、前述した如く、商用電力系統12の交流電力の位相と同じ位相の交流電力を出力する同期運転を行うように駆動させ、商用電力系統12と連系させる。尚、電気負荷14は発電装置20の出力で十分なときは発電装置20の出力で動作すると共に、不足するときは商用電力系統12の出力を入力して動作する。
一方、S10で肯定されて商用電力系統12が停電と判断されるときはS16に進み、第1のスイッチ24をオフして発電装置20から商用電力系統12への電力供給を遮断し、逆潮流を防止する。
次いでS18に進み、第2から第4のスイッチ26b,26c,26dをオフして発電装置20から通常負荷14a,14b,14cへの電力供給を遮断する一方、発電装置20の出力を必要負荷14d,14e,14fにのみ供給する。尚、このときの発電装置20の出力の流れを図1に矢印で示す。
このように、発電機32から商用電力系統12への電力供給が遮断された後、第2から第4のスイッチ26b,26c,26dをオフさせて発電機32から複数個の電気負荷の中の少なくとも1個の電気負荷(具体的には3個の通常負荷14a〜14c)への電力供給を遮断する一方、発電機32の出力を複数個の電気負荷の中の残余の電気負荷(具体的には3個の必要負荷14d〜14f)に供給する。
前述したように、発電機32の最大発電出力が2.0kWに設定されるのに対して必要負荷14d〜14fの合計が1.9kW、即ち、発電機32の最大発電出力以下に設定されるため、発電装置20は、停電時であっても必要負荷14d〜14fに対して確実に電力を継続して供給することができる。
即ち、通常負荷14a〜14cの負荷の合計は2.3kWであるため、停電時に例えば必要負荷14d〜14fと通常負荷14a〜14cの両方が動作すると、負荷が発電機の最大出力(2.0kW)を超える可能性がある。そのような状態になると、負荷と発電装置20の出力がバランスしなくなり、電気負荷14に対して電力が供給されないおそれがある。そこで、第2から第4のスイッチ26b,26c,26dをオフさせ、発電機32から、最大発電出力以下に設定された必要負荷14d〜14fに対してのみ電力供給することで、負荷と発電装置20の出力をバランスさせることができ、よって発電装置20は必要負荷14d〜14fに確実に電力を継続して供給することができる。
尚、その後商用電力系統12が復旧、即ち、停電が終了したときは、図2の処理において、S10で否定されてS12,S14へ進み、それによって電気負荷14には商用電力系統12の電力と発電装置20の電力の両方が供給される。
上記した如く、この発明の実施例にあっては、商用電力系統12から複数個の電気負荷(通常負荷14a〜14c、必要負荷14d〜14f)に至る交流電力の給電路(第1の給電路)16に接続される発電機32と前記発電機32を駆動する内燃機関(エンジン)30とを備えると共に、前記内燃機関30の排熱を熱負荷(貯湯槽)42に供給するコージェネレーション装置10において、前記給電路16に配置される第1のスイッチ24、前記給電路16に前記第1のスイッチ24よりも下流側の位置に配置される第2のスイッチ(第2から第4のスイッチ)26b,26c,26d、前記商用電力系統12の停電が検出されたとき、前記第1のスイッチ24をオフさせて前記発電機32から前記商用電力系統12への電力供給を遮断する電力供給遮断手段(ECU50。電流・電圧センサ52。S10,S16)、および前記発電機32から前記商用電力系統12への電力供給が遮断された後、前記第2のスイッチ26b,26c,26dをオフさせて前記発電機32から前記複数個の電気負荷の中の少なくとも1個の電気負荷(具体的には、3個の通常負荷14a〜14c)への電力供給を遮断する一方、前記発電機32の出力を前記複数個の電気負荷の中の残余の電気負荷(具体的には、3個の必要負荷14d〜14f)に供給する電力供給手段(ECU50。S18)を備える如く構成した。
このように、商用電力系統12から複数個の電気負荷14に至る交流電力の給電路16に接続される発電機32を備えると共に、その給電路16に配置される第1のスイッチ24を備え、商用電力系統12の停電が検出されたとき、第1のスイッチ24をオフさせて発電機から商用電力系統12への電力供給を遮断するように構成したので、商用電力系統12が停電したとき、コージェネレーション装置10の出力する電力が商用電力系統12に流れ込む逆潮流を確実に防止することができる。
また、給電路16に前記第1のスイッチ24よりも下流側の位置に配置される第2のスイッチ(第2から第4のスイッチ)26b,26c,26dを備えると共に、発電機32から商用電力系統12への電力供給が遮断された後、第2のスイッチ(第2から第4のスイッチ)26b,26c,26dをオフさせて発電機32から複数個の電気負荷14の中の少なくとも1個の電気負荷(14a〜14c)への電力供給を遮断する一方、発電機32の出力を複数個の電気負荷の中の残余の電気負荷(14d〜14f)に供給するように構成したので、必要負荷14d〜14fを残余の電気負荷として予め選択しておくことで、停電時であっても必要負荷14d〜14fを含む残余の電気負荷に対して電力の供給を継続することができる。
また、前記残余の電気負荷(即ち、必要負荷14d〜14f)が、前記発電機32の最大出力(2.0kW)以下に設定される、具体的には1.9kWに設定されるように構成したので、停電時において、必要負荷14d〜14fを含む残余の電気負荷に対してより確実に電力の供給を継続することができる。
尚、上記において、商用電力系統12の停電が検出されないとき、エンジン30を始動させて発電装置20を駆動するように構成したが、電気負荷14や熱負荷(貯湯槽42)の使用状況に応じて発電装置20を駆動するように構成しても良い。
また、上記した実施例において商用電力系統12が出力する交流電力の位相を検出し、検出された位相と同じ位相の交流電力を出力するように発電装置20を駆動したが、位相のみならず、電圧まで同一となるように発電装置20を駆動しても良い。
また、上記した実施例において発電装置20の駆動源(エンジン30)としてガソリン燃料を使用するエンジンを用いるように構成したが、都市ガス・LPガスを燃料とするガスエンジンなどであっても良い。
また、商用電力系統12が出力する交流電力を100/200Vとしたが、商用電力系統が出力する交流電力が100/200Vを超えるときは、それに相応する電圧を発電装置20から出力させることはいうまでもない。
また、発電機32の最大発電出力、電気負荷14による負荷あるいはエンジン30の排気量などを具体的な値で示したが、それらは例示であって限定されるものではないこともいうまでもない。
この発明の実施例に係るコージェネレーション装置を全体的に示すブロック図である。 図1に示すコージェネレーション装置の動作、より具体的にはECUの動作の内、第1から第4のスイッチの動作の制御などを示すフロー・チャートである。
符号の説明
10 コージェネレーション装置、12 商用電力系統、14a〜14c 通常負荷(電気負荷)、14d〜14f 必要負荷(電気負荷)、16 第1の給電路(給電路)、24 第1のスイッチ、26b,26c,26d 第2から第4のスイッチ(第2のスイッチ)、30 エンジン(内燃機関)、32 発電機、42 貯湯槽(熱負荷)、50 ECU(電子制御ユニット)、52 電流・電圧センサ

Claims (2)

  1. 商用電力系統から複数個の電気負荷に至る交流電力の給電路に接続される発電機と前記発電機を駆動する内燃機関とを備えると共に、前記内燃機関の排熱を熱負荷に供給するコージェネレーション装置において、
    a.前記給電路に配置される第1のスイッチ、
    b.前記給電路に前記第1のスイッチよりも下流側の位置に配置される第2のスイッチ、
    c.前記商用電力系統の停電が検出されたとき、前記第1のスイッチをオフさせて前記発電機から前記商用電力系統への電力供給を遮断する電力供給遮断手段、
    および
    d.前記発電機から前記商用電力系統への電力供給が遮断された後、前記第2のスイッチをオフさせて前記発電機から前記複数個の電気負荷の中の少なくとも1個の電気負荷への電力供給を遮断する一方、前記発電機の出力を前記複数個の電気負荷の中の残余の電気負荷に供給する電力供給手段、
    を備えたことを特徴とするコージェネレーション装置。
  2. 前記残余の電気負荷が、前記発電機の最大出力以下に設定されることを特徴とする請求項1記載のコージェネレーション装置。
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