JP2009050073A - コージェネレーション装置 - Google Patents

Abstract

【課題】商用電力系統から電気負荷に至る交流電力の給電路に接続可能な発電機と発電機を駆動する内燃機関とバッテリとからなる発電ユニットを少なくとも備えるコージェネレーション装置において、バッテリの出力電圧などを自己診断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】商用電源から電気負荷に至る交流電力の給電路に接続可能な発電機と、発電機を駆動する内燃機関と、バッテリとからなる発電ユニットを少なくとも備えると共に、内燃機関の排熱で温水を生成して貯湯タンクユニットに供給するコージェネレーション装置において、所定の自己診断時期にあるか否か判断し（Ｓ１０）、所定の自己診断時期にあると判断されるとき、バッテリの出力で発電ユニットを運転し、バッテリの出力電圧と内燃機関の回転数と発電機の出力の少なくともいずれかについて自己診断する（Ｓ１２からＳ１４）。
【選択図】図３

Description

この発明はコージェネレーション装置に関し、より具体的にはバッテリ電圧などを自己診断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加温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種々提案されている。また、その中で異常を自己診断するものも知られており、その例として特許文献１記載の技術を挙げることができる。
特開平１−２３７３４４号公報

特許文献１記載の技術においては、エキスパートシステムを導入してコージェネレーション装置の異常を推論によって自己診断している。

ところで、コージェネレーション装置は、商用電力系統が正常なときはそれと連系して連続的あるいは間欠的に運転される一方、商用電力系統に停電などの故障が生じたときは自立運転される。コージェネレーション装置の運転を開始する際、商用電力系統が正常なときはその電力の供給を受けて内燃機関を始動すれば足りるが、停電などの故障が生じているときは内蔵するバッテリで始動せざるを得ない。その場合、バッテリが劣化していると、自立運転することができない。内燃機関が故障しているときも同様である。

従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、商用電力系統から電気負荷に至る交流電力の給電路に接続可能な発電機と発電機を駆動する内燃機関とバッテリからなる発電ユニットを少なくとも備えるコージェネレーション装置において、バッテリの出力電圧などを自己診断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、商用電力系統から電気負荷に至る交流電力の給電路に接続可能な発電機と、前記発電機を駆動する内燃機関と、バッテリからなる発電ユニットを少なくとも備えると共に、前記内燃機関の冷却水を冷却水循環路に導き、前記内燃機関の排熱で加温して温水を生成して熱負荷に供給するコージェネレーション装置において、所定の自己診断時期にあるか否か判断する自己診断時期判断手段、および、前記所定の自己診断時期にあると判断されるとき、前記バッテリの出力で前記発電ユニットを運転し、前記バッテリの出力電圧と前記内燃機関の回転数と前記発電機の出力の少なくともいずれかについて自己診断する自己診断手段を備える如く構成した。

請求項２に係るコージェネレーション装置にあっては、前記所定の自己診断時期は、所定の時間が経過したとき、前記発電ユニットの運転回数が所定値に達したとき、および前記発電ユニットの運転時間が所定時間に達したときのいずれかである如く構成した。

請求項３に係るコージェネレーション装置にあっては、前記自己診断手段の自己診断結果を表示する表示手段を備える如く構成した。

請求項１にあっては、所定の自己診断時期にあるか否か判断し、肯定されるとき、バッテリの出力で発電ユニットを運転し、バッテリの出力電圧と内燃機関の回転数と前記発電機の出力の少なくともいずれかについて自己診断する如く構成したので、バッテリの劣化あるいは内燃機関あるいは発電機の異常の有無を定期的に判断することができ、商用電力系統に停電などの故障が生じているときなどに支障なく運転することができる。

請求項２に係るコージェネレーション装置にあっては、所定の自己診断時期は、所定の時間が経過したとき、発電ユニットの運転回数が所定値に達したとき、および発電ユニットの運転時間が所定時間に達したときのいずれかである如く構成したので、上記した効果に加え、自己診断すべき時期を徒過してしまう恐れがない。

請求項３に係るコージェネレーション装置にあっては、自己診断結果を表示する表示手段を備える如く構成したので、上記した効果に加え、自己診断結果をユーザに確実に報知してバッテリの交換などを促すことができ、商用電力系統に故障が生じているときなどに一層支障なく運転することができる。

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模式的に示す模式図である。

図示の如く、コージェネレーション装置（符号１０で示す）は、商用電源（商用電力系統）１２から電気負荷１４に至る交流電力の給電路（電力線）１６に接続可能な発電機（「ＧＥＮ」と示す）２０と、発電機２０を駆動する内燃機関（「ＥＮＧ」と示し、以下「エンジン」という）２２と、バッテリ（「Ｂａｔｔ」と示す）２４と、発電制御部２６からなる発電ユニット２８を備える。

商用電源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。バッテリ２４は、定格１２Ｖの直流電圧を出力する。発電ユニット２８は一体化され、発電ユニットケース（筐体）３０の内部に収容される。

より具体的には図示の如く、発電ユニットケース３０は仕切り３０ａ，３０ｂで３つの室に仕切られ、図において右の室に発電機２０とエンジン２２が鉛直方向において上下に配置されると共に、左上の室に発電制御部２６が収容され、左下の室にバッテリ２４が収容される。発電制御部２６はエンジン２２から隔離され、エンジン２２からの放熱を可能な限り遮断させられるようにエンジン２２とは別室に収容される。

エンジン２２は都市ガス（あるいはＬＰガス）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。図示は省略するが、発電ユニットケース３０においてエンジン２２のシリンダヘッドとシリンダブロックは横（水平）方向に配置され、その内部に１個のピストンが往復動自在に配置される。

供給された吸気とガスはミキサで混合され、生成された混合気は燃焼室に流れ、点火されるとき燃焼してピストンを駆動し、発電ユニットケース３０において縦（鉛直）方向にピストンに連結されるクランクシャフトを回転させる。よって生じた排ガスは排気管から発電ユニットケース３０に接続された排気ダクト２２ａを流れて排出される。尚、エンジン２２にはエンジン回転数を検出するパルサコイル（図示せず）が配置される。

シリンダブロックなどの発熱部位の付近には冷却水循環路（後述）が形成され、その内部を流れる、不凍液からなる冷却水は発熱部位と熱交換してエンジン２２を冷却させつつ昇温すると共に、排気管に沿って設けられた排気熱交換器２２ｂを通過してさらに昇温させられる。

クランクシャフトの上端にはフライホイールが取り付けられると共に、その内側には多極コイルからなる発電機２０が配置される。発電機２０はフライホイールとの間で相対回転するとき、交流電力を発電する。発電機２０の出力は、発電制御部２６に送られる。

図２は、図１に示す発電制御部２６などと発電機２０の接続関係を示すブロック図である。

図示の如く、発電制御部２６は、マイクロコンピュータからなる電子制御ユニット（Electronic Control Unit。以下「ＥＣＵ」という）２６ａと、インバータ（「ＩＮＶ」と示す）２６ｂと、ＤＣ／ＤＣコンバータ（「ＤＣ／ＤＣ」と示す）２６ｃを備える。

発電機２０は、商用電源１２からインバータ２６ｂを介し、あるいはバッテリ２４からＤＣ／ＤＣコンバータ２６ｃとインバータ２６ｂを介して通電されるとき、エンジン２２をクランキングするスタータモータとしても機能する。

ＥＣＵ２６ａは発電機２０の機能をスタータとジェネレータの間で切り換えると共に、エンジン２２などの動作を制御する。バッテリ２４には電圧センサ（図示せず）が設けられ、電圧センサの出力はＥＣＵ２６ａに送られる。

インバータ２６ｂは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２６ｃを介して発電機２０の出力をＡＣ１００／２００Ｖ（単相）に変換する。発電ユニット２８の発電出力は、１．０ｋＷ程度である。インバータ２６ｂの出力は、メインブレーカ３２を介して給電路１６に接続される。

コージェネレーション１０は、発電ユニット２８に加え、貯湯タンクユニット４０を備える。

貯湯タンクユニット４０は、貯湯タンク４２と、温風暖房用のブロア（送風機）４４とバーナ４６と、貯湯タンクユニット制御部５０を備える。貯湯タンクユニット４０は貯湯タンクユニットケース４０ａの内部に収容される。貯湯タンクユニットケース４０ａは仕切り４０ａ１，４０ａ２，４０ａ３によって４つの部屋に仕切られる。貯湯タンク４２は図１において中央の貯湯タンク室４０ｂに周囲を断熱（保温）材４２ａで被覆されて収容され、内部に温水を貯留する。

以下説明すると、発電ユニット２４と貯湯タンク４２とブロア４４は、前記した冷却水循環路（符号５２で示す）で接続される。即ち、冷却水循環路５２はエンジン２２から貯湯タンクユニット４０に向けて延び、貯湯タンク側循環路４２ｃと局部的に接近して排熱熱交換器４２ｂを形成する。排熱熱交換器４２ｂで冷却水循環路５２を流れる冷却水は貯湯タンク側循環路４２ｃを流れる循環水に熱を伝えて冷却する。

さらに、冷却水循環路５２はブロア４４の付近に配置された排熱熱交換器４４ａにも接続され、そこでブロア４４で吸引された家庭内の各部屋の冷気と熱交換させられた後、エンジン２２に戻る。

排熱熱交換器４２ｂでの熱交換で昇温させられて温水となった貯湯タンク側循環路４２ｃの水は貯湯タンク４２に出入し、貯湯タンク４２との間を循環するように流れる。また、貯湯タンク４２には流出路４２ｄが設けられる。流出路４２ｄは、各部屋に取り付けられた暖房熱交換器（図示せず）と、給湯や浴槽（図示せず）に接続される。流出路４２ｄには、水道からの給水路４２ｅが混合弁５４を介して水温調節自在に接続される。

バーナ４６は燃焼ファンで屋外から空気を吸引し、供給ガスと混合させて燃焼させる。それにより生じた燃焼ガスは顕熱熱交換器４６ａと潜熱熱交換器４６ｂを通り、屋外に放出される。符号４６ｃはバーナ吸排気路を示す。

顕熱熱交換器４６ａと潜熱熱交換器４６ｂは、ブロア４４の送風ダクト（図示せず）を通る空気と熱交換して昇温させる。具体的には、顕熱熱交換器４６ａは燃焼ガスの露点までの熱を放熱し、潜熱熱交換器４６ｂは露点以下の熱を放熱する。潜熱熱交換器４６ｂで発生する凝縮水はドレンパイプ（図示せず）を介して屋外に排出される。

ブロア４４は各部屋から冷気を吸引する一方、排熱熱交換器４４ａで熱交換によって昇温させられると共に、バーナ４６の燃焼によって昇温させられた温風を送風ダクトから各部屋に送風し、各部屋を暖房する。ブロア４４とバーナ４６は協働して動作する。

このように、この実施例に係るコージェネレーション装置１０において、各部屋は貯湯タンク４２から供給される温水とブロア４４から送風される温風の双方あるいは一方で暖房される。

貯湯タンクユニット制御部（以下「貯湯制御部」という）５０は仕切り４０ａ３で仕切られて隔離された隔離室４０ｅに収容される。貯湯制御部５０も発電制御部２６のＥＣＵ２６ａと同様、マイクロコンピュータからなるＥＣＵ（電子制御ユニット）を備えると共にそのＥＣＵはＥＣＵ２６ａとリモートコントローラ（後述）に通信自在に接続される。

図１においてＴは温度センサ、Ｖはバルブ、Ｐはポンプを示し、信号線の図示は省略するが、それらは貯湯制御部５０に電気的に接続される。貯湯制御部５０は温度センサＴの出力に基づき、バルブＶとポンプＰの動作を制御して上記した貯湯タンク４２の温水の出入と、ブロア４４とバーナ４６の動作を制御する。

即ち、貯湯制御部５０は、排熱ポンプ５６を駆動して冷却水循環路５２を流れる冷却水を排熱熱交換器４２ｂ，４４ａに圧送し、貯湯タンク側循環路４２ｃを流れる循環水とブロア４４で吸引された各部屋の冷気と熱交換させる。

貯湯タンク側循環路４２ｃを流れる循環水は循環ポンプ５８で循環させられると共に、冷却水循環路５２を流れる冷却水との熱交換によって加温され、温度センサ６０で検出される温度が所定温度（例えば７０℃）に達すると、貯湯制御部５０は温度調整弁（温調弁）６２を開閉させ、貯湯タンク４２に上部から供給する。

貯湯タンク４２の下部からは温度が低下した水が放出されて貯湯タンク側循環路４２ｃに供給され、貯湯タンク４２の温水は所定温度に保持される。

貯湯制御部５０の動作をさらに説明する。

先ず、商用電源１２と連系してコージェネレーション装置１０を運転する場合を説明する。

（ａ）貯湯運転
貯湯制御部５０は、貯湯タンク４２の内部に配置された３個の温度センサ４２ｆ，４２ｇ，４２ｈの出力から貯湯タンク４２の内部の水温分布を検出し、検出温度が設定温度を下回ると、発電制御部２６のＥＣＵ２６ａに指令し、エンジン２２を運転させて冷却水を昇温させると共に、設定温度に戻ると、エンジン２２の運転を停止させる。

尚、貯湯制御部５０は、手動スイッチ（図示せず）がユーザによって操作されると、貯湯タンク４２の熱状況に関わりなく、商用電源１２に多くの電力を供給するように運転する。

（ｂ）暖房運転
貯湯制御部５０は、各部屋に配置された温度センサ（符号６４で各部屋のセンサをまとめて示す）の出力と、リモートコントローラ（「リモコン」。符号６６で各部屋のリモートコントローラをまとめて示す）を介してユーザから設定された温度と比較し、検出温度が設定温度を下回ると、暖房ポンプ（図示せず）を作動して貯湯タンク４２に貯湯された温水を流出路４２ｄから各部屋に取り付けられた暖房熱交換器に供給して室温を昇温させる。

暖房熱交換器で室内の空気と熱交換された温水は、貯湯タンク４２の下部に戻される。リモートコントローラ６６は、後述する自己診断結果の表示手段としても機能する。

（ｃ）バーナの稼動
貯湯制御部５０は、規定時間を経過しても検出された室温が設定温度に達しないとき、あるいは検出された室温と設定温度との差が既定値を超えるとき、温水供給のみでは不足と判断し、設定温度に達するまでバーナ４６を稼動させ、バーナ４６で昇温された温風をブロア４４で各部屋に供給する。

（ｄ）暖房不要の場合
貯湯制御部５０は、暖房が不要の場合、貯湯運転を行う。発電ユニット２８の定格熱出力Ｑは、以下の式から算出される。
Ｑ＝{比熱×比重×（排熱温度−給水温度）×排熱流量}

従って、貯湯制御部５０は、貯湯タンク４２の内部が熱的に飽和したとき、貯湯タンク４２の上部から上記の排熱温度の温水を排熱流量に相当する分、排熱バルブ（図示せず）を駆動して放出する。

（ｅ）給湯・入浴
貯湯制御部５０はリモートコントローラ６６を介したユーザの指示に応じ、貯湯タンク４２から給湯あるいは浴槽に温水を供給すると共に、指示された温度となるように混合弁５４を開閉して給水を混入させる。貯湯制御部５０は、使用された温水に相当する水を給水路４２ｅを介して貯湯タンク４２の下部から補充する。

次いで、商用電源１２に停電が発生した場合など、商用電源１２と連系せず、自立的にコージェネレーション装置１０を運転する場合を説明する。

その場合、発電制御部２６は、停電発生と同時に発電ユニット２８を起動させる。発電制御部２６のＥＣＵ２６ａは、電気負荷１４に応じて発電ユニット２８を運転して発電させる。ＥＣＵ２６ａは、電気負荷が増加すると電圧が降下する一方、電気負荷が減少すると電圧が上昇することから、一定の電圧となるように、発電出力を調整する。

発電ユニット２８が動作すると、発電出力しないアイドル運転時も含め、熱出力が生じるが、貯湯制御部５０は、熱需要に応じて上記した商用電源１２との連系時と同様の貯湯運転、暖房運転、バーナの稼働などを行う。

上記を前提とし、この実施例に係るコージェネレーション装置の自己診断動作を説明する。

図３はその動作を示すフロー・チャートである。尚、図示のプログラムは発電制御部２６のＥＣＵ２６ａによってエンジン２２が始動されるとき、１回だけ実行される。

以下説明すると、Ｓ１０において自己診断時期にあるか、より具体的には所定の自己診断時期にあるか否か判断される。ここで、所定の自己診断時期は、所定の時間が経過したとき、発電ユニット２８の運転回数が所定値に達したとき、および発電ユニット２８の運転時間が所定時間に達したときのいずれかとする。

上記した所定の時間は、バッテリ２４の経年劣化を防止するため、例えば１ケ月とする。発電ユニット２８の運転は１日１回から２回程度が予定されることから、上記した所定値は例えば５０回とする。また発電ユニット２８の運転時間は１年で４０００時間、１日で１０時間程度が予定されることから、上記した所定時間は例えば３００時間とする。

Ｓ１０で否定されるときは以降の処理をスキップすると共に、肯定されるときはＳ１２に進み、バッテリ２４を発電機２０に接続し、発電機２０をスタータとして機能させてエンジン２２を始動する。

次いでＳ１４に進み、自己診断を実行する。自己診断は少なくともバッテリ２４の出力電圧、具体的にはそれに加え、エンジン２２の回転数と発電機２０出力の少なくともいずれかについて行う。

より具体的には、自己診断は、図示の如く、バッテリ２４の出力電圧、ＤＣ／ＤＣコンバータ２６ｃの昇圧、エンジン２２のクランキングの有無、エンジン回転数の上昇、および定格発電出力の有無を確認する。

上記のうち、バッテリ２４の出力電圧の確認は、図４に示す特性に従って行われる。即ち、前記した電圧センサを介して検出されたバッテリ２４の始動時の最低電圧が始動電圧しきい値（例えば１０Ｖ）を下回るか、あるいは始動後の電圧が安定電圧しきい値（例えば１２Ｖ）を下回るとき、バッテリ２４の機能が劣化したと判断する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２６ｃの昇圧は、その出力が所定の電圧に達しているか判断して行う。クランキングの有無とエンジン回転数の上昇は、エンジン２２が始動されたときの回転を前記したパルサコイルで検出して行う。定格発電出力の有無は、発電機２０の出力を判断することで行う。

次いでＳ１６に進み、Ｓ１４の自己診断結果を前記したリモートコントローラ６６に表示させる。即ち、自己診断で問題ないときは「正常」と表示すると共に、問題があったとき、例えば、バッテリ２４の機能が劣化したと判断されるとき、その旨を表示してユーザにバッテリ２４の交換を促す。その他の確認事項についても同様である。

上記の如く、この実施例においては、商用電源（商用電力系統）１２から電気負荷１４に至る交流電力の給電路１６に接続可能な発電機２０と、前記発電機２０を駆動するエンジン（内燃機関）２０と、バッテリ２４からなる発電ユニット２８を少なくとも備えると共に、前記エンジン２２の冷却水を冷却水循環路５２に導き、前記エンジン２２の排熱で加温して温水を生成して貯湯タンクユニット（熱負荷）４０に供給するコージェネレーション装置１０において、所定の自己診断時期にあるか否か判断する自己診断時期判断手段（発電制御部２６のＥＣＵ２６ａ，Ｓ１０）、および前記所定の自己診断時期にあると判断されるとき、前記バッテリ２４の出力で前記発電ユニット２８を運転し、前記バッテリ２４の出力電圧と前記エンジン２２の回転数と前記発電機２０の出力の少なくともいずれか、より具体的にはそれらの全てについてについて自己診断する自己診断手段（発電制御部２６のＥＣＵ２６ａ，Ｓ１２からＳ１４）を備える如く構成したので、バッテリ２４の劣化あるいはエンジン２２あるいは発電機２０のも異常の有無を定期的に判断することができ、商用電源１２に停電などの故障が生じているときなどに支障なく運転することができる。

また、前記所定の自己診断時期は、所定の時間が経過したとき、前記発電ユニット２８の運転回数が所定値に達したとき、および前記発電ユニット２８の運転時間が所定時間に達したときのいずれかである如く構成したので、上記した効果に加え、自己診断すべき時期を徒過してしまう恐れがない。

また、前記自己診断手段の自己診断結果を表示する表示手段（発電制御部２６のＥＣＵ２６ａ，Ｓ１６。リモートコントローラ６６）を備える如く構成したので、上記した効果に加え、自己診断結果をユーザに確実に報知してバッテリ２４の交換などを促すことができ、商用電源に故障が生じているときなどに一層支障なく運転することができる。

尚、上記において発電機２０の駆動源として都市ガス・ＬＰガスを燃料とするガスエンジンとしたが、ガソリン燃料などを使用するエンジンであっても良い。

また、発電機２０の出力およびエンジン２２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に示す発電制御部などと発電機の接続関係を示すブロック図である。 この発明に係るコージェネレーション装置の自己診断動作を示すフロー・チャートである。 図３フロー・チャートのバッテリの出力電圧の自己診断に使用される、バッテリの出力電圧特性を示すグラフである。

符号の説明

１０ コージェネレーション装置、１２ 商用電源（商用電力系統）、１４ 電気負荷、１６ 給電路（電力線）、２０ 発電機、２２ エンジン（内燃機関）、２２ａ 排気ダクト、２２ｂ 排気熱交換器、２４ バッテリ、２６ 発電制御部、２６ａ ＥＣＵ（電子制御ユニット）、２６ｂ インバータ、２６ｃ ＤＣ／ＤＣコンバータ、２８ 発電ユニット、３０ 発電ユニットケース、４０ 貯湯タンクユニット、４０ａ 貯湯タンクユニットケース、４２ 貯湯タンク、４２ｂ 排熱熱交換器、４２ｃ 貯湯タンク側循環路、４４ ブロア、４４ａ 排熱熱交換器、４６ バーナ、５０ 貯湯タンクユニット制御部（貯湯制御部）、５２ 冷却水循環路、６６ リモートコントローラ（表示手段）

Claims (3)

1. 商用電力系統から電気負荷に至る交流電力の給電路に接続可能な発電機と、前記発電機を駆動する内燃機関と、バッテリからなる発電ユニットを備えると共に、前記内燃機関の冷却水を冷却水循環路に導き、前記内燃機関の排熱で加温して温水を生成して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．所定の自己診断時期にあるか否か判断する自己診断時期判断手段、
   および
   ｂ．前記所定の自己診断時期にあると判断されるとき、前記バッテリの出力で前記発電ユニットを運転し、前記バッテリの出力電圧と前記内燃機関の回転数と前記発電機の出力の少なくともいずれかについて自己診断する自己診断手段、
   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. 前記所定の自己診断時期は、所定の時間が経過したとき、前記発電ユニットの運転回数が所定値に達したとき、および前記発電ユニットの運転時間が所定時間に達したときのいずれかであ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。
3. ｃ．前記自己診断手段の自己診断結果を表示する表示手段、
   を備えたことを特徴とする請求項１または２記載のコージェネレーション装置。