JP2009099416A - コジェネレーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】一次エネルギーの消費量又は光熱費等を抑制した運転が可能なコジェネレーションシステムを提供する。
【解決手段】コジェネレーションシステム１は、給電熱装置１００が生成する電力及び熱と、商用電力系統５０から入力される電力と、を供給する。このコジェネレーションシステム１では、需要予測演算部８５が電力需要量及び熱需要量を予測する。そして、予測消費エネルギー演算部８６が、給電熱装置１００の運転方法毎に、電力需要量及び熱需要量に応じて電力及び熱を供給するために給電熱装置１００で消費される燃料に関する第１の予測消費量及び系統電力を生成するために必要とされる燃料に関する第２の予測消費量を演算する。そして、最適運転選択部８７が第１の予測消費量及び第２の予測消費量に基づいて運転方法を選択し、制御部１３が選択された運転方法に従って給電熱装置１００の運転を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、生成した電力及び熱を供給するコジェネレーションシステムに関する。

この種のコジェネレーションシステムとして、発電する際に発熱する燃料電池を備えたものがある。例えば、下記特許文献１には、この燃料電池を電力負荷に追従して発電するように運転制御するコジェネレーションシステムが記載されている。
特開２００５−２５９８６号公報

ところで、コジェネレーションシステムには、一次エネルギーの消費量又は光熱費等を抑制した効率的な運転が求められている。しかしながら、上記特許文献１に記載のコジェネレーションシステムでは、効率とは関わらずに電力負荷に応じて発電するので、効率を向上させることは困難である。

一般的に燃料電池は、発電する際に発熱するので、発電量と発熱量とをそれぞれ制御することはできない。更に、コジェネレーションシステムは、利用者によって異なる需要パターンに応じて電力と熱とを供給するので、効率的な運転方法を特定するのが困難である。

そこで本発明は、一次エネルギーの消費量又は光熱費等を抑制した効率的な運転が可能な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。

本発明のコジェネレーションシステムは、給電熱装置が生成する電力及び熱と、給電熱装置とは別の供給源から入力される電力と、を供給するコジェネレーションシステムにおいて、電力需要量及び熱需要量を予測する予測手段と、給電熱装置の起動タイミングと給電熱装置における起動タイミングからの運転時間と給電熱装置の運転中における出力値との組み合わせによる給電熱装置の運転方法毎に、予測手段によって予測された電力需要量及び熱需要量に応じて電力及び熱を供給するために給電熱装置で消費される燃料に関する第１の予測消費量及び別の供給源から入力される電力を生成するために必要とされる燃料に関する第２の予測消費量を演算する演算手段と、演算手段によって演算された第１の予測消費量及び第２の予測消費量に基づいて運転方法を選択する選択手段と、選択手段によって選択された運転方法に従って給電熱装置の運転を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。

本発明のコジェネレーションシステムでは、予測手段が電力需要量及び熱需要量を予測し、演算手段が給電熱装置で消費される燃料に関する第１の予測消費量と別の供給源から入力される電力を生成するために必要とされる燃料に関する第２の予測消費量とを給電熱装置の運転方法毎に演算する。これにより、コジェネレーションシステムによって電力及び熱を供給するために消費される燃料の予測消費量が給電熱装置の運転方法毎に算出される。そして、選択手段が第１の予測消費量及び第２の予測消費量に基づいて運転方法を選択するので、燃料の消費量に応じた効率的な運転方法を選択することができる。これにより、制御手段によって一次エネルギーの消費量又は光熱費等を抑制した運転を行うことができる。

好ましくは、演算手段は、第１の予測消費量として給電熱装置で消費される燃料の一次エネルギー量を演算し、第２の予測消費量として別の供給源から入力される電力を生成するために必要とされる燃料の一次エネルギー量を演算することにより、コジェネレーションシステムが供給する電力及び熱を生成するために消費する総一次エネルギー量を演算し、選択手段は、演算手段によって演算された総一次エネルギー量に基づいて運転方法を選択する。

これにより、電力及び熱を供給するために消費される一次エネルギー量を抑制した効率的な運転を行うことができる。例えば、電力及び熱を供給するために消費される一次エネルギー量が最少となる運転方法を選択して、省エネルギー化を図ることができる。

好ましくは、演算手段は、第１の予測消費量として給電熱装置で消費される燃料の量を演算して当該燃料に係る燃料料金を演算し、第２の予測消費量として別の供給源から入力される電力量を演算して当該電力量に係る電力料金を演算し、選択手段は、演算手段によって演算された燃料料金及び電力料金に基づいて運転方法を選択する。

これにより、電力及び熱を供給するために必要な料金を抑制した効率的な運転を行うことができる。例えば、電力及び熱を供給するために必要な料金が最少となる運転方法を選択して、光熱費の抑制を図ることができる。

好ましくは、予測手段は、所定時間毎に予測を行うことにより電力需要量及び熱需要量を更新し、演算手段は、予測手段によって更新された電力需要量及び熱需要量に基づいて演算することにより第１の予測消費量及び第２の予測消費量を更新し、選択手段は、演算手段によって更新された演算結果に基づいて運転方法を選択することにより選択結果を更新し、制御手段は、選択手段によって更新された運転方法に従って給電熱装置の運転を制御する。

これにより、予測した電力需要量又は熱需要量に誤差が有る場合であっても、所定時間毎に運転方法を更新するので、誤差を抑制して最適な運転方法を選択することができる。

好ましくは、第１の予測消費量を演算するために必要であると共に外気温によって変動するパラメータを外気温別に格納する格納手段を備え、演算手段は、外気温と格納手段に格納されたパラメータとに基づいて第１の予測消費量を演算する。

この場合、外気温によって変動する第１の予測消費量を精度よく予測することができる。従って、寒冷地等の地域に設置した場合であっても、最適な運転方法を選択することができる。

好ましくは、給電熱装置の性能に関する値を測定する測定手段と、測定手段によって測定された値に基づいて、給電熱装置の性能に関するパラメータを更新する更新手段と、を備え、演算手段は、更新手段によって更新されたパラメータを用いて第１の予測消費量を演算する。

この場合、給電熱装置の経年劣化が起こった場合であっても、また、給電熱装置の性能について差違があった場合であっても、給電熱装置の性能に関する値を測定し、その測定された値に基づいて、給電熱装置の性能に関するパラメータを更新するので、演算手段は、実際の給電熱装置の性能に応じた第１の予測消費量を演算することができる。よって、誤差を抑制してより最適な運転方法を選択することができる。

本発明のコジェネレーションシステムによれば、一次エネルギーの消費量又は光熱費等を抑制したより効率的な運転を行うことができる。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素に同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本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ブロック図である。本実施形態に係るコジェネレーションシステム１は、例えば家庭に設置されて電力及び熱を生成し、その家庭の電力需要及び熱需要に応じて生成した電力及び熱を供給するシステムである。

このコジェネレーションシステム１は、燃料電池ユニット１０と、貯湯槽ユニット２０と、給湯器３０とを備えている。燃料電池ユニット１０で発電した電力を電気機器ＥＩに供給することにより、コジェネレーションシステム１は電力を供給する。そして、燃料電池ユニット１０の発電に伴って発生した熱で加熱した水を貯湯槽ユニット２０に貯めて、給湯器３０を用いて熱機器ＨＩに供給することにより、コジェネレーションシステム１は熱を供給する。

最初に燃料電池ユニット１０について説明する。この燃料電池ユニット１０は、燃料電池装置１１と、熱交換器１２と、制御部１３とを有する。燃料電池装置１１は、燃料系統７０と第１燃料管７１を介して接続されている。燃料電池装置１１は、この燃料系統７０から供給される第１の燃料（例えば、灯油）を用いて発電する。燃料電池装置１１は、例えば、改質装置と、燃料電池と、バーナーとを含んで構成される。

まず、燃料電池装置１１では、改質装置が、供給された第１の燃料を改質して水素を生成する。バーナーは、改質装置の改質反応熱を供給するためのものである。バーナーの燃料は、第１の燃料を用いる。そして、燃料電池が、改質装置によって生成された水素を入力して化学反応により発電を行う。燃料電池から排出されるオフガスには未反応の水素が含まれ、これをバーナーの燃料として用いることができる。燃料電池により生成された電力は、電力線１５を介して熱機器ＨＩに供給される。

燃料電池装置１１と電気機器ＥＩとを繋ぐ電力線１５は、商用電力系統５０から供給される電力を送電する電力線５１と接続されている。これにより、コジェネレーションシステム１は、電力線１５を介して、燃料電池装置１１よって生成された電力だけでなく、商用電力系統５０から入力される電力も電気機器ＥＩに供給する。

電力線５１上には電流計４６が設置されており、この電流計４６によって商用電力系統５０から電気機器ＥＩに供給される系統電力を電流値として計測する。また、燃料電池装置１１には、燃料電池装置１１が発電した電力を計測可能な電流計（不図示）が備わっている。よって、商用電力系統５０から供給された系統電力量と、燃料電池装置１１が発電した電力量とを、コジェネレーションシステム１において把握することができる。

燃料電池装置１１は、発電に伴って発熱する。熱交換器１２は、燃料電池装置１１で発生する熱を回収し、熱交換器１２と貯湯槽ユニット２０との間で水を循環させる熱回収用配管２Ａ、２Ｂ内の水に熱を伝達する。熱交換器１２は、貯湯槽２１から流出した熱回収用配管２Ｂ内の水に熱を伝達し、貯湯槽２１に流入する熱回収用配管２Ａ内に熱伝達された水を流す。

制御部１３は、燃料電池装置１１の運転を制御するための手段であり、後述する運転制御装置８０の信号に基づいて燃料電池装置１１の運転を制御する。制御部１３は、運転制御装置８０から出力される信号であって、燃料電池装置１１の起動タイミング、運転時間、及び最大出力を示す信号に基づいて、運転の制御を行う。

この燃料電池ユニット１０は、更に、燃料電池ユニット１０の性能に関する値を測定する性能計測器１４を備える。性能計測器１４は、出力別の発電効率、出力別の排熱回収効率、起動時のエネルギー、出力別の燃料電池排熱回収水出口温度、定格出力、最低出力、停止動作時消費エネルギー、負荷追従速度、及び待機時消費エネルギー等を算出するのに必要な値を計測する。例えば、性能計測器１４は、燃料系統７０から燃料電池ユニット１０に供給される第１の燃料の量を計測する流量計、発電量を計測する電流計、熱回収用配管２Ａと熱交換器１２との接続部分（燃料電池排熱回収水出口）の温度を計測する温度計等から構成される。

引き続いて、貯湯槽ユニット２０及び給湯器３０について説明する。貯湯槽ユニット２０は、貯湯槽２１と三方弁２５とを有し、これらは第１出湯用配管２２、配管２３、上水用配管２４、及び第２出湯用配管２６を介して給湯器３０に接続されている。

貯湯槽２１は、熱交換器１２において熱伝達された水を貯えるタンクである。この貯湯槽２１は、上部において熱回収用配管２Ａと接続しており、貯湯槽２１内には、熱交換器１２で熱伝達された水が熱回収用配管２Ａを介して流入可能な構成となっている。貯湯槽２１は、下部において熱回収用配管２Ｂと接続しており、貯湯槽２１の下部に貯えられた水が熱交換器１２に流入可能な構成となっている。

また、貯湯槽ユニット２０は、貯湯槽２１に貯えられた水の温度を計測可能な温度計（不図示）が備わっている。この温度計は、貯湯槽ユニット２０の筐体の内側に、鉛直方向に沿って複数設けられる。温度計としては、熱電対やサーミスタ等を用いることができる。

貯湯槽２１は、上部においてさらに第１出湯用配管２２と接続しており、貯湯槽２１の上部に貯えられた水を出湯可能な構成となっている。貯湯槽２１は、下部において配管２３と接続しており、貯湯槽２１の下部から上水を給水可能な構成となっている。配管２３には、上水用配管２４から上水が流入する。配管２３上には流量計４３が接続されており、貯湯槽２１に供給される上水の流量を計測する。

三方弁２５は、第１出湯用配管２２及び上水用配管２４の双方から流入した水を第２出湯用配管２６に供給することが可能な構成になっている。上水用配管２４は、商用の給水系統６０から上水を貯湯槽２１に供給する水道管６１と接続している。第１出湯用配管２２によって運ばれた水及び上水用配管２４によって運ばれた水の双方を混合した水又は一方の水は、第２出湯用配管２６を介して給湯器３０へ供給される。

給湯器３０は、第２出湯用配管２６から流入した水を、出湯用配管３を介して熱機器ＨＩに供給する。出湯用配管３上には流量計４４が接続されており、熱機器ＨＩに流入する水の流量を計測する。また、給湯器３０は、バックアップボイラ３１を備え、バックアップボイラ３１により必要に応じて第２出湯用配管２６から流入した水を加熱する。バックアップボイラ３１は、第１燃料管７１と接続した第２燃料管７２を介して燃料系統７０に接続され、第１の燃料を用いて燃焼する。給湯器３０は、給湯する水の温度を計測可能な温度計（不図示）が備わっている。この温度計として、熱電対やサーミスタ等が用いられているが、これに限定されない。

上記のように構成されるコジェネレーションシステム１は、燃料電池ユニット１０で発電した電力を電気機器ＥＩに供給すると共に、発電に伴って発生した熱で加熱した水を貯湯槽２１に貯めて熱機器ＨＩに供給する。熱機器ＨＩに供給される水は、燃料電池ユニット１０による熱だけでは必要な温度に達しない場合はバックアップボイラ３１により加熱されて供給される。すなわち、燃料電池ユニット１０、貯湯槽ユニット２０、及び給湯器３０によって構成される給電熱装置１００は、第１の燃料を用いて電力と熱とを生成し、供給する。そして、コジェネレーションシステム１は、補完的に、商用電力系統５０から商用電量を入力して供給する。このようなコジェネレーションシステム１の供給電力量、給湯量、第１の燃料の消費量等は、各温度計、流量計、電力計によって把握することができる。

本実施形態に係るコジェネレーションシステム１は、更に、外気温センサ９０、性能計測器１４、及び運転制御装置８０を備えて構成される。

外気温センサ９０は、外気温情報を取得するセンサである。コジェネレーションシステム１は、家屋の外に設置される場合が多く、外気温センサ９０は、コジェネレーションシステム１が設置された環境の温度を測定する。この外気温センサ９０は、取得した外気温情報を運転制御装置８０へ出力する。外気温センサ９０には熱電対やサーミスタ等を用いることができる。

運転制御装置８０は、例えば、電子制御を行うデバイスであり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、および入出力インターフェイスなどを備えて構成されている。また、燃料電池ユニット１０や貯湯槽ユニット２０にＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等が備わる場合は、そのハードウェア資源を利用して動作するものであっても良い。

運転制御装置８０の入出力インターフェイスには、燃料電池ユニット１０の性能に関する値を計測する性能計測器１４、貯湯槽ユニット２０及びそれに備わる温度計、給湯器３０及びそれに備わる温度計、外気温センサ９０、気象予報センタ９１、流量計４３、４４、電流計４６に、直接あるいはネットワークを介して論理的に接続されており、信号の送受信が可能となっている。

気象予報センタ９１は、現在の外気温情報、予想外気温情報、現在から過去６時間前の平均外気温情報を提供する情報源である。そして、運転制御装置８０は、外気温センサ９０又は気象予報センタ９１から外気温を示す情報を入力し、外気温情報に基づいて燃料電池ユニット１０及び貯湯槽ユニット２０の運転を制御する。

この運転制御装置８０は、図２に示すように、電熱需要履歴格納部８１、現状データ格納部８２、燃料電池パラメータ格納部（格納手段）８３、及びパラメータ更新部（更新手段）８４を備え、各格納部に格納されたデータを用いて情報処理を行うための需要予測演算部（予測手段）８５、予測消費エネルギー演算部（演算手段）８６、及び最適運転選択部（選択手段）８７を備える。

電熱需要履歴格納部８１は、運転制御装置８０に入力された各計測器からの情報を基に、コジェネレーションシステム１の電熱需要量を算出し、外気温情報及び計測時刻と対応させて格納する。格納される電熱需要量は、コジェネレーションシステム１の利用者が消費した電力量及び熱量である。

電力量は、電気機器ＥＩに供給された電力量である。また、電力量には、給電熱装置１００自体が消費する待機電力等が含まれる。待機電力には、寒冷地に設置されたコジェネレーションシステム１において給電熱装置１００が備える凍結防止用のヒータへ供給する電力が含まれる。

この電力量は、商用電力系統５０から供給された電力量と燃料電池装置１１から供給された電力量との合計である。商用電力系統５０から供給された電力量は、電流計４６で計測された電流値から計算され、燃料電池装置１１から供給された電力量は、燃料電池ユニット１０に備わる性能計測器１４で計測された電流値から計算される。

熱量は、熱機器ＨＩに供給された熱量である。この熱量は、燃料電池装置１１から供給された熱量と、バックアップボイラ３１から供給された熱量との合計である。熱量は、給湯器３０から給湯された水量及び温度によって計算される。供給された水量は流量計４４で計測され、その温度は給湯器３０に備わる図示しない温度計で測定される。このようにして計算された過去の電熱需要量が、電熱需要履歴格納部８１によって、時間帯別及び外気温別に格納される。

現状データ格納部８２は、現在のコジェネレーションシステム１の状態に関するデータを入力し、格納する。具体的には、現状データ格納部８２は、貯湯槽２１内部の鉛直方向に沿って配置された複数の温度計から出力される温度情報を入力する。これにより、現状データ格納部８２は、貯湯槽２１内に蓄えられた水の温度分布状態を示す情報を格納することとなる。

また、現状データ格納部８２は、上水の温度を測定する温度計（図示せず）から入力される上水の温度情報を格納する。また、現状データ格納部８２は、外気温センサ９０から入力される外気温情報を格納する。また、現状データ格納部８２は、燃料電池装置１１が動作中か否かを示す動作情報を入力し、現在の電力需要量及び給湯需要量（熱需要量）を入力し、それぞれ格納する。

燃料電池パラメータ格納部８３は、燃料電池ユニット１０の発電性能及び発熱性能に関する性能パラメータを格納する。性能パラメータには、出力別の投入エネルギー、出力別の発電効率、出力別の熱回収効率、起動時の消費エネルギー、出力別の燃料電池熱回収水出口温度、定格出力、最低出力、停止動作時の消費エネルギー、負荷追従速度、待機時の消費エネルギー、貯湯槽の容量、貯湯槽の放熱率、各配管の放熱率、燃料電池の冷却水の許容温度、バックアップボイラの効率、系統電力の発電効率等が含まれる。

燃料電池パラメータ格納部８３は、出力別の熱回収効率、出力別の燃料電池熱回収水出口温度、貯湯槽の容量、貯湯槽の放熱率、及び各配管の放熱率について、外気温別でデータを格納する。更に、燃料電池パラメータ格納部８３は、待機時の消費エネルギー及び起動時の消費エネルギーについて、凍結防止用のヒータを運転する場合のエネルギーも考慮して、外気温別及び運転を停止してからの経過時間別でのデータを格納することが好ましい。

例えば、燃料電池パラメータ格納部８３では、図３に示すように、待機電力（待機時の消費エネルギー）を外気温度別に格納している。図３に示す表は、運転を停止してからの経過時間が、８時間程度の場合に設定されたパラメータを示す。

この燃料電池パラメータ格納部８３が格納する性能パラメータは、予め初期値が設定され、コジェネレーションシステム１において実際に運転がなされるとパラメータ更新部８４によって更新される。更新される性能パラメータは、例えば、出力別の発電効率、出力別お排熱回収効率、起動時のエネルギー、出力別の燃料電池排熱回収水出口温度、定格出力、最低出力、停止動作時消費エネルギー、負荷追従速度、及び待機時消費エネルギー等である。

パラメータ更新部８４は、性能計測器１４から入力したデータに基づいて、現状の燃料電池ユニット１０の性能パラメータを算出し、燃料電池パラメータ格納部８３に格納された性能パラメータを更新する。例えば、パラメータ更新部８４は、１０００時間程度運転する毎に性能パラメータを更新する。

需要予測演算部８５は、現在以降のコジェネレーションシステム１の電熱需要量を予測する。需要予測演算部８５は、現在または予想された未来の外気温情報と、電熱需要履歴格納部８１に格納された過去の電熱需要量とに基づいて現在から２４時間後までの予測電力需要量と予測電熱需要量とを予測する。この予測は、既存の技術を用いて、例えば、１時間毎に行われる。また、需要予測演算部８５は、予測した未来の電熱需要量を予測消費エネルギー演算部８６へ出力する。

予測消費エネルギー演算部８６は、需要予測演算部８５によって予測された現在から２４時間後までの電熱需要量に応じて電力及び熱を供給する場合に必要とされる総一次エネルギー量を演算する。この予測消費エネルギー演算部８６は、現状データ格納部８２及び燃料電池パラメータ格納部８３に格納されたパラメータを用いて演算を行う。演算する総一次エネルギー量は、給電熱装置１００で消費される一次エネルギー量（第１の予測消費量）と、商用電力系統５０から入力される電力を発電するために必要とされる一次エネルギー量（第２の予測消費量）と、の和を示す一次エネルギー量である。

給電熱装置１００で消費される一次エネルギー量として、燃料電池ユニット１０に供給された第１の燃料の量を一次エネルギー量に換算した値（消費一次エネルギーＦＣＥ）と、給湯器３０に供給された第１の燃料の量を一次エネルギー量に換算した値（消費一次エネルギーＢＵＥ）とを用いる。また、商用電力系統５０についての一次エネルギー量は、発電所においてコジェネレーションシステム１に入力した商用電力量を供給するにあたって、必要となった第２の燃料の量を一次エネルギー量に換算した値（消費一次エネルギーＫＴＥ）を用いる。この消費一次エネルギーＫＴＥは、電流計４６によって計測される商用電力系統５０から供給される系統電力量から演算することができる。

予測消費エネルギー演算部８６は、消費一次エネルギーＦＣＥ、消費一次エネルギーＢＵＥ、及び消費一次エネルギーＫＴＥを足し合わせる。これにより、予測消費エネルギー演算部８６は、給電熱装置１００で消費される第１の燃料の一次エネルギーを演算すると共に、商用電力系統５０から入力される系統電力を生成するために必要とされる第２の燃料の一次エネルギー演算して、総一次エネルギー量を演算する。

予測消費エネルギー演算部８６は、燃料電池装置１１の運転方法毎に総一次エネルギー量をそれぞれ演算する。燃料電池装置１１の運転方法には、燃料電池装置１１の起動タイミングと、起動タイミングからの運転時間と、運転中の最大出力値と、の組み合わせで決まる複数の運転パターンがある。予測消費エネルギー演算部８６は、需要予測演算部８５から電熱需要量が出力される１時間毎に、複数の運転方法毎の総一次エネルギー量をそれぞれ演算する。そして、予測消費エネルギー演算部８６は、運転方法を示す情報と総一次エネルギー量とを関連付けた演算結果を最適運転選択部８７へ出力する。

最適運転選択部８７は、入力した演算結果に基づいて、総一次エネルギー量が最も小さくなる運転方法を選択する。そして、その運転方法を示す情報として、燃料電池装置１１の起動タイミングと、運転時間と、運転中の最大出力値とを示す情報を、燃料電池ユニット１０の制御部１３へ出力する。起動タイミングを示す情報としては、現在から起動までの時間を示す情報でもよいし、起動時刻を示す情報を用いてもよい。最適運転選択部８７は、演算結果が入力される１時間毎に、最適運転方法を選択して制御部１３へ出力する。

これにより、制御部１３は、総一次エネルギー量が最も小さくなる運転方法となるように、燃料電池装置１１の起動タイミング、運転時間、最大出力値を設定して、燃料電池装置１１を運転制御する。最適運転方法は１時間毎に更新されることとなるので、燃料電池装置１１は、１時間毎に更新される運転方法に従って運転制御される。

引き続いて、予測消費エネルギー演算部８６が、総一次エネルギー量を演算する手順について、図４を参照して説明する。図４は、本実施形態に係るコジェネレーションシステムにおける総一次エネルギー量の演算手順を示すフロー図である。

まず、演算対象となる運転方法を示すパラメータを読み込む（ステップＳ１）。そのパラメータとは、現時点から起動開始までの時間Ｓ、運転時間Ope、及び最大出力ＭＡＸＷである。また、現状出力Ｗも読み込む。続いて、Ｔ＝０とし（ステップＳ２）、Ｔ時間後の予測電力需要量を需要予測演算部８５から読み込む（ステップＳ３）。

そして、Ｔ時間後に予測電力需要量を供給するための発電出力を決定する（ステップＳ４）。決定した発電出力に基づいて、Ｔ時間目における燃料電池ユニット１０において消費する消費一次エネルギーＦＣＥを算出する（ステップＳ５）。また、Ｔ時間目に必要となる商用電力系統５０から入力する電力量を算出し、Ｔ時間目における消費一次エネルギーＫＴＥを算出する（ステップＳ６）。

続いて、Ｔ時間後の予測熱需要量（予測給湯需要量）を需要予測演算部８５から読み込む（ステップＳ７）。また、Ｔ時間後の貯湯槽２１の蓄熱量を算出する（ステップＳ８）。そして、Ｔ時間後の予測熱需要量と貯湯槽２１の蓄熱量とに基づいて、必要となるＴ時間目のバックアップボイラの消費一次エネルギーＢＵＥを算出する（ステップＳ９）。以上のステップで算出した消費一次エネルギーＦＣＥ、消費一次エネルギーＫＴＥ、及び消費一次エネルギーＢＵＥを足し合わせて、Ｔ時間目の総消費一次エネルギーＴＥを算出する（ステップＳ１０）。

続いて、Ｔ＝Ｔ＋１とし（ステップＳ１１）、０時間後からＴ時間後までの総消費一次エネルギーＡＬＬＥにＴ時間目の総消費一次エネルギーＴＥを加算して、０時間後からＴ＋１時間後までの総消費一次エネルギーＡＬＬＥを算出する（ステップＳ１２）。そして、Ｔ＞２４でない場合（ステップＳ１３でＮＯ）は、Ｔ＞２４となるまで、ステップＳ３〜Ｓ１２を繰返す。

Ｔ＞２４となった場合（ステップＳ１３でＹＥＳ）は、一連のフローを終了する。以上の手順により、現在から２４時間後までの間において、コジェネレーションシステム１が１つの運転方法に従って運転制御されて電力及び熱を供給するに当たって、消費される総消費一次エネルギーＡＬＬＥが算出される。

次に、最適運転選択部８７が、最適な運転方法を選択する手順について、図５を参照して説明する。図５は、本実施形態に係るコジェネレーションシステムにおいて運転方法を選択する手順を示すフロー図である。

まず、起動開始までの時間を示すパラメータＳを０に設定し（ステップＳ２１）、運転時間を示すパラメータOpeを０に設定し（ステップＳ２２）、最大出力を示すパラメータＭＡＸＷを１００に設定する（ステップＳ２３）。このようにして設定したパラメータは、予測消費エネルギー演算部８６によって読み込まれる。

設定したパラメータによって示される運転方法における総消費一次エネルギーＡＬＬＥを、予測消費エネルギー演算部８６から呼び出し、比較対象となる一次的な総消費一次エネルギーＡＬＬＥＴＥＭＰとする（ステップＳ２４）。一次的な総消費一次エネルギーＡＬＬＥＴＥＭＰが、現時点で最少となる総消費一次エネルギーＭＩＮＡＬＬＥより小さい場合（ステップＳ２５でＹＥＳ）は、ステップＳ２８へ進む。

一次的な総消費一次エネルギーＡＬＬＥＴＥＭＰが、現時点で最少となる総消費一次エネルギーＭＩＮＡＬＬＥより小さい場合（ステップＳ２５でＹＥＳ）は、該当するパラメータを格納し、該当する運転方法を記録する（ステップＳ２６）。そして、一次的な総消費一次エネルギーＡＬＬＥＴＥＭＰを現時点で最少となる総消費一次エネルギーＭＩＮＡＬＬＥとする（ステップＳ２７）。なお、現時点で最少となる総消費一次エネルギーＭＩＮＡＬＬＥは、初期値として、所定値を予め設定しておく。

続いて、最大出力ＭＡＸＷに１００Ｗを加算して最大出力ＭＡＸＷとする（ステップＳ２８）。この値が燃料電池装置１１の最大出力（例えば１０００Ｗ）以下である場合（ステップＳ２９でＮＯ）は、ステップＳ２５に戻って、ステップＳ２８までの手順を繰り返す。最大出力ＭＡＸＷが燃料電池装置１１の最大出力を超える場合（ステップＳ２９でＹＥＳ）は、運転時間Opeに１時間を加算して運転時間Opeとする。

この新たな運転時間Opeが２４以下である場合（ステップＳ３１でＮＯ）は、ステップＳ２３に戻って、ステップＳ３０までを繰り返す。運転時間Opeが２４を超える場合（ステップＳ３１でＹＥＳ）は、起動開始までの時間Ｓに１時間を加算して起動開始までの時間Ｓとする（ステップＳ３２）。この新しい起動開始までの時間Ｓが２４未満である場合（ステップＳ３３でＮＯ）は、ステップＳ２２に戻って、ステップＳ３２までを繰り返す。起動開始までの時間Ｓが２４以上である場合（ステップＳ３３でＹＥＳ）は、一連のフローを終了する。

以上の手順により、起動開始までの時間が０、１、…、２３時間、運転時間が０、１、…２４時間、最大出力が１００、２００、…、１０００Ｗの組み合わせによって決まる６０００通りの運転方法について、それぞれ総消費一次エネルギーが算出され、その中で最少の総消費一次エネルギーとなる運転方法が選択される。この手順が１時間毎に実行され、一時間毎に、最少の総消費一次エネルギーとなる運転方法が更新される。このように一時間毎に更新される運転方法に従って、燃料電池装置１１が運転制御される。

予測消費エネルギー演算部８６による演算結果の例を図６に示す。図６は、運転時間及び起動時刻別の総一次エネルギーの削減率を示す図である。図６は、最大出力が９００Ｗであり、コジェネレーションシステム１を導入せずに系統電力のみによって電力を供給し、一般給湯器によって熱を供給した場合と比較して削減される一次エネルギーの割合を示す。図６に示すように、本実施形態に係るコジェネレーションシステム１では、７時に起動して１５時間運転する運転方法が最も消費一次エネルギーが小さいことを把握し、その運転方法に従って燃料電池装置１１の運転が実行される。

以上説明した本実施形態に係るコジェネレーションシステム１では、需要予測演算部８５が電力需要量及び熱需要量を予測し、予測消費エネルギー演算部８６が給電熱装置１００で消費される第１の燃料の一次エネルギー量と商用電力系統５０から入力される電力を生成するために必要とされる第２の燃料の一次エネルギー量とを給電熱装置１００の運転方法毎に演算する。これにより、コジェネレーションシステム１によって電力及び熱を供給するために消費される総一次エネルギー量が給電熱装置１００の運転方法毎に算出される。そして、最適運転選択部８７が総一次エネルギー量に基づいて運転方法を選択するので、総一次エネルギー量に応じた効率的な運転方法を選択することができる。これにより、制御部１３によって一次エネルギーの消費量を抑制した運転を行うことができる。

コジェネレーションシステム１では、燃料電池装置１１、貯湯槽ユニット２０、商用電力系統５０、給湯器３０の発電又は発熱効率がそれぞれ異なると共に、各装置は状況によっても効率が異なる。本実施形態に係るコジェネレーションシステム１によれば、需要量に応じて電力及び熱量を供給するに当たって、必要となる一次エネルギー量が最少となるようにコジェネレーションシステム１を運転するので、省エネルギー性を向上させることができる。

また、本実施形態に係るコジェネレーションシステム１では、需要予測演算部８５が予測電力需要量及び予測熱需要量を１時間毎に更新し、それに応じて、予測消費エネルギー演算部８６が総一次エネルギー量を更新し、最適運転選択部８７が選択結果を更新する。よって、予測した電力需要量又は熱需要量に誤差が有る場合であっても、所定時間毎に運転方法を更新するので、誤差を抑制して最適な運転方法を選択することができる。

また、本実施形態に係るコジェネレーションシステム１では、現状データ格納部８２にて格納する性能パラメータを外気温別に格納し、予測消費エネルギー演算部８６はその性能パラメータと外気温とに基づいて消費一次エネルギーＦＣＥ,ＢＵＥを演算する。この場合、外気温によって変動する消費一次エネルギーＦＣＥを精度よく予測することができる。従って、寒冷地では、凍結防止用ヒータの消費一次エネルギー量が大きくなるが、それを加味して最適な運転方法を選択することができる。なお、凍結防止用ヒータは給電熱装置１００が停止中に起動されるので、同様の電熱需要であっても外気温が低い場合は、給電熱装置１００の停止時間が短い方が効率は向上する。本実施形態に係るコジェネレーションシステム１では、そのような外気温と凍結防止用ヒータの影響を加味して、最適な運転方法を選択することができる。

また、本実施形態に係るコジェネレーションシステム１では、給電熱装置１００の性能に関する値を測定し、その測定された値に基づいて、給電熱装置１００の性能に関するパラメータを更新するので、予測消費エネルギー演算部８６は、実際の給電熱装置１００の性能に応じた消費一次エネルギーＦＣＥを演算する。この場合、給電熱装置１００の経年劣化が起こった場合であっても、また、給電熱装置１００によるパラメータの差違があった場合であっても、性能パラメータの誤差を抑制してより最適な運転方法を選択することができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、運転方法毎の総消費一次エネルギー量を演算して最も総消費一次エネルギー量が最少となる運転方法を選択したが、これに限られない。運転方法毎にかかる料金を演算して最も料金が最少となる運転方法を選択するようにしてもよい。このような本実施形態に係る変形例について説明する。

変形例に係るコジェネレーションシステム１の運転制御装置８０では、上述の予測消費エネルギー演算部８６に替えて、予測消費光熱費演算部を備える。予測消費光熱費演算部は、需要予測演算部８５によって予測された現在から２４時間後までの電熱需要量に応じて電力及び熱を供給する場合に必要とされる光熱費を演算する。この予測消費光熱費演算部は、現状データ格納部８２及び燃料電池パラメータ格納部８３に格納されたパラメータを用いて演算を行う。燃料電池パラメータ格納部８３には、上述のパラメータに加えて、第１の燃料の単価及び系統電力の単価が格納されている。

予測消費光熱費演算部によって演算される光熱費は、給電熱装置１００で消費される第１の燃料の燃料料金と、商用電力系統５０から入力される電力の電力料金ＫＴＹと、の和である。燃料料金は、燃料電池ユニット１０に供給される第１の燃料の量の料金ＦＣＹと、給湯器３０に供給される第１の燃料の量の料金ＢＵＹとの和である。この燃料料金は、燃料電池ユニット１０に供給される第１の燃料の量と給湯器３０に供給される第１の燃料の量とに基づいて算出される。

予測消費光熱費演算部は、燃料電池ユニット１０にかかる料金ＦＣＹ、バックアップボイラにかかるＢＵＥ、及び系統電力にかかる料金ＫＴＹを足し合わせる。これにより、予測消費光熱費演算部は、給電熱装置１００で消費される第１の燃料の量（第１の予測消費量）に基づいて燃料料金を演算すると共に、商用電力系統５０から入力される系統電力量に基づいて電力料金を演算して、光熱費を演算する。系統電力量は、この系統電力を生成するために必要とされる燃料に関する第２の予測消費量である。

予測消費光熱費演算部は、燃料電池装置１１の運転方法毎に２４時間分の光熱費をそれぞれ演算する。予測消費光熱費演算部は、需要予測演算部８５から電熱需要量が出力される１時間毎に、複数の運転方法毎の光熱費をそれぞれ演算する。そして、予測消費光熱費演算部は、運転方法を示す情報と光熱費とを関連付けた演算結果を最適運転選択部８７へ出力する。これに応じて、最適運転選択部８７は、光熱費が最も安くなる運転方法を選択する。

引き続いて、予測消費光熱費演算部が、光熱費を演算する手順について、図７を参照して説明する。図７は、本実施形態に係るコジェネレーションシステムにおける光熱費の演算手順を示すフロー図である。

まず、演算対象となる運転方法を示すパラメータＳ、Ope、ＭＡＸＷ及び現状出力Ｗを読み込む（ステップＳ４１）。続いて、Ｔ＝０とし（ステップＳ４２）、Ｔ時間後の予測電力需要量を需要予測演算部８５から読み込む（ステップＳ４３）。そして、Ｔ時間後に予測電力需要量を供給するための発電出力を決定する（ステップＳ４４）。決定した発電出力に基づいて、Ｔ時間目における燃料電池ユニット１０にかかる料金ＦＣＹを算出する（ステップＳ４５）。また、Ｔ時間目に必要となる商用電力系統５０から入力する電力量を算出し、Ｔ時間目における系統電力に係る料金ＫＴＹを算出する（ステップＳ４６）。

続いて、Ｔ時間後の予測熱需要量（予測給湯需要量）を需要予測演算部８５から読み込む（ステップＳ４７）。また、Ｔ時間後の貯湯槽２１の蓄熱量を算出する（ステップＳ４８）。そして、Ｔ時間後の予測熱需要量と貯湯槽２１の蓄熱量とに基づいて、必要となるＴ時間目のバックアップボイラに係る料金ＢＵＹを算出する（ステップＳ４９）。以上のステップで算出した料金ＦＣＹ、料金ＫＴＹ、及び料金ＢＵＹを足し合わせて、Ｔ時間目にかかる料金ＴＹを算出する（ステップＳ５０）。

続いて、Ｔ＝Ｔ＋１とし（ステップＳ５１）、０時間後からＴ時間後までにかかる料金ＡＬＬＹにＴ時間目にかかる料金ＴＹを加算して、０時間後からＴ＋１時間後までにかかる料金ＡＬＬＹを算出する（ステップＳ５２）。そして、Ｔ＞２４でない場合（ステップＳ５３でＮＯ）は、Ｔ＞２４となるまで、ステップＳ５３〜Ｓ５２を繰返す。

Ｔ＞２４となった場合（ステップＳ５３でＹＥＳ）は、一連のフローを終了する。以上の手順により、現在から２４時間後までの間において、コジェネレーションシステム１が１つの運転方法に従って運転制御されて電力及び熱を供給するに当たって、必要となる光熱費が算出される。

以上の説明において、本発明は、コジェネレーションシステム１が供給する電力及び熱を生成するために必要となる消費一次エネルギー又は光熱費を抑制するようにコジェネレーションシステム１を制御することとしたが、ＣＯ_２を抑制するように制御してもよい。この場合、コジェネレーションシステム１において排出されるＣＯ_２の量及び系統電力の発電に伴って排出されるＣＯ_２の量を運転方法毎に演算して、そのＣＯ_２の量が最少となる運転方法を選択するようにしてもよい。

また、本発明に係るコジェネレーションシステム１は、消費一次エネルギー量を最少とする運転制御を行うか、光熱費を最少とする運転制御を行うか、又は、排出されるＣＯ_２の量を最少とする運転制御を行うか、利用者がリモコン等で選択可能に構成されていることも好ましい。

また、本発明に係るコジェネレーションシステム１は、各種の情報をリモコン等に搭載された表示画面に表示するように構成されていることが好ましい。各種の情報とは、最適運転選択部８７によって選択された運転方法、需要予測演算部８５によって予測された電熱需要のパターン、及び燃料電池パラメータ格納部８３に格納された性能パラメータ等である。このような各種の情報を表示することにより、利用者に運転状況、予測情報、効率等の情報を提供し、消費エネルギーを抑制する生活を促進させることができる。なお、各種の情報の提供については、コジェネレーションシステム１をインターネット等の通信網に接続可能に構成し、パーソナルコンピュータや携帯電話等の情報端末によってアクセスして情報を取得できるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、燃料電池装置１１の運転方法には、燃料電池装置１１の起動タイミングと、起動タイミングからの運転時間と、運転中の最大出力値と、の組み合わせで決まる複数の運転パターンがあるとしたが、これに限られない。運転方法には、起動タイミング、起動タイミングからの運転時間、及び運転中の最大出力値以外の要素を組み合わせた複数の方法を含めてもよい。例えば、その要素として最低出力値別、一定出力別
運転方法等がある。

本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ブロック図である。 本実施形態に係るコジェネレーションシステムが備える運転制御装置の構成を示すブロック図である。 本実施形態に係るコジェネレーションシステムが備える燃料電池パラメータ格納部に格納されたデータを示す図である。 本実施形態に係るコジェネレーションシステムにおける総一次エネルギー量の演算手順を示すフロー図である。 本実施形態に係るコジェネレーションシステムにおける運転方法の選択手順を示すフロー図である。 本実施形態に係るコジェネレーションシステムにおける運転時間及び起動時刻別の一次エネルギーの削減率を示す図である。 本実施形態に係るコジェネレーションシステムにおける光熱費の演算手順を示すフロー図である。

符号の説明

１…コジェネレーションシステム、１１…燃料電池装置、１３…制御部（制御手段）、１４…性能計測器（計測手段）、５０…商用電力系統（別の供給源）、８０…運転制御装置、８１…電熱需要履歴格納部、８２…現状データ格納部、８３…燃料電池パラメータ格納部（格納手段）、８４…パラメータ更新部（更新手段）、８５…需要予測演算部（予測手段）、８６…予測消費エネルギー演算部（演算手段）、８７…最適運転選択部（選択手段）、１００…給電熱装置。

Claims (6)

1. 給電熱装置が生成する電力及び熱と、前記給電熱装置とは別の供給源から入力される電力と、を供給するコジェネレーションシステムにおいて、
   電力需要量及び熱需要量を予測する予測手段と、
   前記給電熱装置の起動タイミングと前記給電熱装置における前記起動タイミングからの運転時間と前記給電熱装置の運転中における出力値との組み合わせによる前記給電熱装置の運転方法毎に、前記予測手段によって予測された電力需要量及び熱需要量に応じて電力及び熱を供給するために前記給電熱装置で消費される燃料に関する第１の予測消費量及び前記別の供給源から入力される電力を生成するために必要とされる燃料に関する第２の予測消費量を演算する演算手段と、
   前記演算手段によって演算された前記第１の予測消費量及び前記第２の予測消費量に基づいて前記運転方法を選択する選択手段と、
   前記選択手段によって選択された運転方法に従って前記給電熱装置の運転を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とするコジェネレーションシステム。
2. 前記演算手段は、前記第１の予測消費量として前記給電熱装置で消費される燃料の一次エネルギー量を演算し、前記第２の予測消費量として前記別の供給源から入力される電力を生成するために必要とされる燃料の一次エネルギー量を演算することにより、コジェネレーションシステムが供給する電力及び熱を生成するために消費する総一次エネルギー量を演算し、
   前記選択手段は、前記演算手段によって演算された前記総一次エネルギー量に基づいて前記運転方法を選択す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. 前記演算手段は、前記第１の予測消費量として前記給電熱装置で消費される燃料の量を演算して当該燃料に係る燃料料金を演算し、前記第２の予測消費量として前記別の供給源から入力される電力量を演算して当該電力量に係る電力料金を演算し、
   前記選択手段は、前記演算手段によって演算された前記燃料料金及び前記電力料金に基づいて前記運転方法を選択す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. 前記予測手段は、所定時間毎に予測を行うことにより前記電力需要量及び前記熱需要量を更新し、
   前記演算手段は、前記予測手段によって更新された前記電力需要量及び前記熱需要量に基づいて演算することにより前記第１の予測消費量及び前記第２の予測消費量を更新し、
   前記選択手段は、前記演算手段によって更新された演算結果に基づいて運転方法を選択することにより選択結果を更新し、
   前記制御手段は、前記選択手段によって更新された運転方法に従って前記給電熱装置の運転を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のコジェネレーションシステム。
5. 前記第１の予測消費量を演算するために必要であると共に外気温によって変動するパラメータを外気温別に格納する格納手段を備え、
   前記演算手段は、外気温と前記格納手段に格納されたパラメータとに基づいて前記第１の予測消費量を演算することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のコジェネレーションシステム。
6. 前記給電熱装置の性能に関する値を測定する測定手段と、
   前記測定手段によって測定された値に基づいて、前記給電熱装置の性能に関するパラメータを更新する更新手段と、を備え、
   前記演算手段は、前記更新手段によって更新されたパラメータを用いて前記第１の予測消費量を演算することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のコジェネレーションシステム。

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