JP2009124922A - コージェネレーション装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】発電ユニットが発生するエネルギなどを考慮して発電ユニットの運転の可否を判定することで、運転効率を向上させ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(エンジン)からなる発電ユニットを少なくとも備えたコージェネレーション装置において、発電ユニットが運転されたときに発生するエネルギ価値を算出すると共に、エネルギ価値から発電ユニットのメンテナンスの費用を減算して発電ユニット発生エネルギ価格を算出し(S10)と、内燃機関の燃料の消費量と燃料の価格から発電価格を算出し(S12)と、算出された発電ユニット発生エネルギ価格と発電価格を比較し、発電ユニット発生エネルギ価格が発電価格を超えるとき、発電ユニットの運転を許可する(S14からS18)。
【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、より具体的には発電ユニットの運転効率を経済面から向上させ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からなる発電ユニットを接続し、商用電力系統と連系させつつ、運転して電気負荷に電力を供給すると共に、内燃機関の排気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開発されている。そのような装置において経済面を考慮して運転の可否を判定する技術も提案されており、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。
特許文献1記載の技術にあっては、電気負荷の負荷状況を電気料金に換算すると共に、使用燃料量から燃料費を算出し、電気料金が燃料費を超える場合にのみ、発電ユニットを運転するように構成している。
特開平6−146811号公報
特許文献1記載の技術にあっては上記の如く、電気料金と燃料費の比較から発電ユニットの運転の可否を判定するに止まり、発電ユニットが発生するエネルギやメンテナンス費用を考慮していないため、運転効率において必ずしも十分ではなかった。
従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、発電ユニットが発生するエネルギなどを考慮して発電ユニットの運転の可否を判定することで、運転効率を向上させ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からなる発電ユニットと、前記内燃機関の冷却水を前記内燃機関の排気熱と熱交換させて昇温する熱交換器とを少なくとも備えたコージェネレーション装置において、前記発電ユニットが運転されたときに発生するエネルギ価値を算出すると共に、前記エネルギ価値から前記発電ユニットのメンテナンスの費用を減算して発電ユニット発生エネルギ価格を算出する発電ユニット発生エネルギ価格算出手段と、前記内燃機関の燃料の消費量と前記燃料の価格から発電価格を算出する発電価格算出手段と、前記算出された発電ユニット発生エネルギ価格と発電価格を比較し、前記発電ユニット発生エネルギ価格が発電価格を超えるとき、前記発電ユニットの運転を許可する運転許可判定手段と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、前記運転許可判定手段は、前記発電ユニット発生エネルギ価格が発電価格を超えるときも、前記発電ユニットのメンテナンスまでの残り時間が所定時間未満のとき、前記発電ユニットの運転を禁止する如く構成した。
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からなる発電ユニットが運転されたときに発生するエネルギ価値を算出すると共に、エネルギ価値から発電ユニットのメンテナンスの費用を減算して発電ユニット発生エネルギ価格を算出し、内燃機関の燃料の消費量とその価格から発電価格を算出すると共に、算出された発電ユニット発生エネルギ価格と発電価格を比較し、発電ユニット発生エネルギ価格が発電価格を超えるとき、発電ユニットの運転を許可する如く構成したので、発電ユニットが発生するエネルギやメンテナンスの費用などを考慮して発電ユニットの運転の可否を判定することで、運転効率を経済面において一層向上させることができる。
請求項2に係るコージェネレーション装置にあっては、発電ユニット発生エネルギ価格が発電価格を超えるときも、発電ユニットのメンテナンスまでの残り時間が所定時間未満のとき、発電ユニットの運転を禁止する如く構成したので、上記した効果に加え、商用電力系統が停電したときなど、発電ユニットの運転が真に必要となった場合に支障を来たすことがない。
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から家庭内電気負荷(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、多極コイルからなる発電機(「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、発電制御部24からなる発電ユニット26を備え、屋内に設置される。
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。発電ユニット26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で2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、左の室に発電制御部24が収容される。発電制御部24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。
吸気ダクト22aから供給された吸気はガス供給源から電磁弁(図示せず)を介して供給されたガス(図に「GAS」と示す)とミキサで混合され、生成された混合気は燃焼室に流れ、点火プラグ(図示せず)で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。よって生じた排気は排気管(図1で図示省略)から発電ユニットケース30に接続された排気ダクト32を流れ、屋外に排出される。
冷却水循環路34がエンジン22のシリンダブロックなどの発熱部位の付近を通るように形成され、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36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、その内側には前記した発電機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24に送られる。
図2は発電制御部24の構成を模式的に示す説明図である。図示の如く、発電制御部24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)24aと、インバータ24bと、DC/DCコンバータ24cを備える。インバータ24bは、DC/DCコンバータ24cを介して発電機20の出力をAC100/200V(単相)に変換する。
さらに、発電制御部24は情報表示モニタ24dを備えると共に、発電ユニットケース30の外部に設置されたサーバ24e(図1で図示省略)を備え、サーバ24eを介してインターネット(WEB)24fに接続される。
発電ユニット26の発電出力は、1.0kW程度である。インバータの出力は、ブレーカ38を介して給電路16に接続される。発電機20は商用電源12からインバータ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。発電制御部24のECU24a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。
尚、ブレーカ38の付近には電流センサ38aが設けられ、給電路16を流れる電流に比例した出力を生じる。電流センサ38aの出力は、発電制御部24のECU24aに送られる。
コージェネレーション装置10は、発電ユニット26に加え、温風暖房ユニット40を備える。
温風暖房ユニット40は、エンジン22の冷却水循環路34に接続される排熱熱交換器42と、バーナ44と、バーナ44の燃焼ガスの吸排気路44aに接続される顕熱熱交換器44bと潜熱熱交換器44cと、吸気を排熱熱交換器42、および顕熱熱交換器44bと潜熱熱交換器44cの双方に送って熱交換させ、よって生成された温風を温風通路から室内に供給するブロア46と、温風暖房ユニット制御部50を備える。温風暖房ユニット40は温風暖房ユニットケース52に収容されると共に、温風通路(図示せず)を介して各部屋に接続される。
以下、上記した構成を個別に説明すると、発電ユニット26と温風暖房ユニット40は、前記した冷却水循環路34で接続される。即ち、冷却水循環路34はエンジン22から温風暖房ユニット40に向けて延び、ブロア46の付近に配置された排熱熱交換器42に接続され、そこでブロア46で吸引された各部屋の冷気と熱交換させられた後、エンジン22に戻る。
冷気は排熱熱交換器42での熱交換で昇温させられて温風となり、ブロア46によって送風ダクト(図示せず)から前記した温風通路を通って各部屋に供給され、各部屋を暖房する。バーナ44は燃焼ファンで屋外から吸排気路44aを介して空気を吸引し、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44bと潜熱熱交換器44cを通り、吸排気路44aから屋外に放出される。
顕熱熱交換器44bと潜熱熱交換器44cは、ブロア46の送風ダクト(図示せず)を通る空気と熱交換させて昇温させる。具体的には、顕熱熱交換器44bは燃焼ガスの露点までの熱を放熱し、潜熱熱交換器44cは露点以下の熱を放熱する。潜熱熱交換器44c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46は各部屋から冷気を吸引する一方、排熱熱交換器42で熱交換によって昇温させられると共に、バーナ44の燃焼によってさらに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。
温風暖房ユニット制御部(以下「温風制御部」という)50も発電制御部24のECU24a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。温風制御部50のECUは、発電制御部24のECU24aと通信自在に接続されると共に、リモートコントローラ60(各部屋のリモートコントローラを総称して示す)にも通信自在に接続される。リモートコントローラ60はユーザによって操作され、目標室温などの設定に使用される。
図1においてTは温度センサ62(各部屋のセンサを総称して示す),64,66を、Pは排熱ポンプ70、Vはバルブ72を示し、信号線の図示は一部省略するが、それらは温風制御部50に電気的に接続される。
温風制御部50は、排熱ポンプ70とバルブ72を駆動して冷却水循環路34を流れる冷却水を排熱熱交換器42に圧送し、冷却水循環路34を流れる循環水とブロア46で吸引された各部屋の冷気と熱交換させる。
尚、排気熱交換器36の内部での凝縮水の溜り込みによる腐食防止とエンジンオイルの耐久性を考慮し、温風制御部50は、冷却水のエンジン22の入口温度が例えば70℃となるように制御する。
次いで商用電源12と連系してコージェネレーション装置10を運転する際の温風制御部50と発電制御部24の動作を説明すると、暖房運転の場合、温風制御部50は、各部屋に配置された温度センサ62の出力と、リモートコントローラ60を介してユーザから設定された温度と比較し、検出温度が設定された温度を下回ると、発電制御部24に指令して発電ユニット26を稼動させると共に、検出温度が設定された温度に達すると、稼動を停止させる。以降、それを繰り返す。
また、温風制御部50は、規定時間を経過しても検出された室温が設定された温度に達しないとき、あるいは検出された室温と設定された温度との差が既定値を超えるとき、発電ユニット26の稼動のみでは不足と判断し、設定温度に達するまでバーナ44を稼動して燃焼させ、バーナ44で昇温された温風をブロア46で各部屋に供給する。
また、商用電力系統(商用電源)12の電力が不足した場合、発電制御部24は、発電ユニット26を稼動して電気負荷14に電力を供給する。
また、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を運転する際の動作を説明すると、発電制御部24は、停電発生と同時に発電ユニット26を起動させ、以降、電気負荷の増減に応じて一定の電圧となるように、発電出力を調整する。
尚、発電ユニット26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、温風制御部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暖房運転、バーナ駆動などを行う。
図3は、発電制御部24のECU24aの動作、即ち、発電ユニット26の運転の可否を判定する動作を示すフロー・チャートであり、所定の時間間隔で実行される。
以下説明すると、S10において発電ユニット26が運転されたときに発生するエネルギ価値を算出すると共に、エネルギ価値から発電ユニットのメンテナンスの費用を減算して発電ユニット発生エネルギ価格を算出する。
より具体的には、発電価値と熱価値をエネルギ価格として算出すると共に、メンテナンスの費用に基づいてメンテンス価格を算出し、エネルギ価格、即ち、発電価値と熱価値の和から減算して発電ユニット発生エネルギ価格を算出する。
以下それについて説明する。尚、日本では個人の売電(商用電力系統への電力の売却)が法規上認められていないため、かかる売電が認められている米国での例を参考にして説明し、価格も米ドルで表示する。
発電ユニット発生エネルギ価格=発電価値+熱価値−メンテナンス価格
算出例:$0.39/h=$0.22/h+$0.2/h−$0.03/h
尚、算出例においてhは時間を示す。
詳細は以下の通りである。
発電価値=(発電出力−売電出力)×時間当たりの買電価格
+売電出力×時間当たりの売電価格
算出例:$0.22/h≒(1.2kW−0kW)×$0.18kW/(kW・h)+0kW×$0.18(kW・h)
上記で売電出力は商用電力系統12に売却される電力を意味し、電流センサ38aの検出値に基づいて算出される。
熱価値=熱出力(kW)×時間当たりの熱価格
算出例:$0.2/h≒3.3kW×$0.06kW/(kW・h)
時間当たりの熱価格=熱係数×買電価格
算出例:$0.06/h=(1/3)×$0.18/(kW・h)
尚、熱係数は熱と電気の価値係数であり、例えば1/3である。また、熱出力は実測値(単位時間×流量)か、ガス消費量×熱回収効率で算出する(算出例:3.3kW=5.2kW×63%)。ガス消費量はエンジン22の前記した電磁弁を通過するガス量を適宜なセンサ(図示せず)で実測する。
メンテナンス価格=メンテナンス費用($/年)/年間運転時間(h/年)
算出例:$0.03/h=($100/年)/(4000h/年)
次いでS12に進み、エンジン22のガス燃料の消費量とその価格から発電価格を以下のように算出する。
発電価格=ガス消費量(kW)×ガス価格
算出例:$0.16/h≒5.2kW×$0.03kW/(kW・h)
ガス消費量は、上記したセンサによって実測するか、あるいは発電出力/発電効率で算出する(算出例:5.2kW≒1.2kW/23%)。
次いでS14に進み、算出された発電ユニット発生エネルギ価格と発電価格を比較し、発電ユニット発生エネルギ価格が発電価格を超えるか否か判断する。算出例でいえば、発電ユニット発生エネルギ価格が$0.39/h、発電価格が$0.16/hであり、時間(h)当たりの価格で発電ユニット発生エネルギ価格が発電価格を超えている(高い)ので、S14の判断は肯定される。
次いでS16に進み、発電ユニット26のメンテンナンスまでの残り時間が所定時間(例えば200時間(h))未満か否か判断する。この実施例では発電ユニット26のメンテナンスは6200時間(h)ごとに行うこととする。S16の判断が否定されるときはS18に進み、発電ユニット26の運転を許可する。
尚、メンテナンスでは発電ユニット26の運転が停止されるので、残り時間が200時間を切るような場合はS16の判断は肯定されてS20に進み、発電ユニット発生エネルギ価格が発電価格を超えるときでも、発電ユニット26の運転を禁止する。S14で否定されるときも同様である。
尚、S18において発電ユニット26の運転が許可されるとき、あるいはS20において発電ユニット26の運転が禁止されるとき、情報表示モニタ24dにもその旨が表示される。
上記において、売電価格については、商用電力系統12の要請に応じて電力を売却する場合がある。即ち、電力使用ピーク時あるいは電力供給困難時など商用電力系統12にとって電力需要が逼迫している場合、商用電力系統12から売却要請がなされるが、その場合の売電価格は、通常の場合より高額となる。例えば通常の場合が$0.18kW/(kW・h)とすると、売却要請がなされた場合には0.9kW/(kW・h)となる。
売却要請とその場合の売電価格はサーバ24eとインターネット(WEB)24fを通じて商用電力系統12から送られ、発電制御部24のECU24aに入力され、情報表示モニタ24dに表示される。
また、売却要請がない通常の場合の売電価格および買電価格ならびにガス価格に関しても、ECU24aはサーバ24eとインターネット24fを介して最新の価格を入力して情報表示モニタ24dに表示する。
即ち、情報表示モニタ24dには以下が表示される。
a.売却要請の有無(それに対する発電制御部24側の諾否)
b.時間(h)当たりの売電価格(通常の場合・売却要請があった場合)
c.時間(h)当たりの買電価格
d.発電価格(=ガス価格×(発電出力/発電効率)
e.時間(h)当たりの熱出力
f.運転時間
g.メンテナンスまでの残り時間
h.発電ユニット26の運転の許可・禁止
図3フロー・チャートに示す処理に関してECU24aは情報表示モニタ24dに表示された情報に基づいて上記した価格を算出して判断する。
以上の如く、この実施例にあっては、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と前記発電機を駆動する内燃機関(エンジン)22からなる発電ユニット26と、前記内燃機関の冷却水を前記内燃機関の排気熱と熱交換させて昇温する熱交換器(排気熱交換器)36とを少なくとも備えたコージェネレーション装置10において、前記発電ユニット26が運転されたときに発生するエネルギ価値を算出すると共に、前記エネルギ価値から前記発電ユニット26のメンテナンスの費用を減算して発電ユニット発生エネルギ価格を算出する発電ユニット発生エネルギ価格算出手段(発電制御部24のECU24a,S10)と、前記内燃機関の燃料の消費量と前記燃料の価格から発電価格を算出する発電価格算出手段(発電制御部24のECU24a,S12)と、前記算出された発電ユニット発生エネルギ価格と発電価格を比較し、前記発電ユニット発生エネルギ価格が発電価格を超えるとき、前記発電ユニット26の運転を許可する運転許可判定手段と(発電制御部24のECU24a,S14からS18)を備える如く構成したので、発電ユニット26が発生するエネルギやメンテナンスの費用などを考慮して発電ユニット26の運転の可否を判定することで、運転効率を経済面において一層向上させることができる。
また、前記運転許可判定手段は、前記発電ユニット発生エネルギ価格が発電価格を超えるときも、前記発電ユニット26のメンテナンスまでの残り時間が所定時間(例えば200時間)未満のとき、前記発電ユニット26の運転を禁止する(発電制御部24のECU24a,S16,S20)如く構成したので、上記した効果に加え、商用電力系統12が停電したときなど、発電ユニット26の運転が真に必要となった場合に支障を来たすことがない。
尚、上記において、売電価格、買電価格およびガス価格についてはサーバ24eとインターネット24fを介して入手した最新の価格を使用するようにしたが、買電価格およびガス価格の全部あるいは一部について固定値を使用しても良い。
さらには、情報表示モニタに入力部を設け、ユーザが手動操作して発電ユニット26の運転の可否を選択するようにしても良い。
また、上記した所定時間などはコージェネレーション装置10の発電能力などの仕様が変更されれば、それに応じて変更されることはいうまでもない。
また、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に示す発電ユニットケースに収容された内燃機関(エンジン)と排気熱交換器の接続関係を模式的に示す説明図である。 図1に示すコージェネレーション装置の動作、より具体的には発電制御部においてECUが実行する発電ユニットの運転可否判定処理を示すフロー・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 商用電源(商用電力系統)、14 家庭内電気負荷(電気負荷)、16 給電路(電力線)、20 発電機、22 エンジン(内燃機関)、24 発電制御部、24a ECU、24d 情報表示モニタ、24e サーバ、24f インターネット、26 発電ユニット、34 冷却水循環路、36 排気熱交換器(熱交換器)、40 温風暖房ユニット、42 排熱熱交換器、44 バーナ、44a 吸排気路、44b 顕熱熱交換器、44c 潜熱熱交換器、50 温風暖房ユニット制御部

Claims (2)

  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からなる発電ユニットと、前記内燃機関の冷却水を前記内燃機関の排気熱と熱交換させて昇温する熱交換器とを少なくとも備えたコージェネレーション装置において、
    a.前記発電ユニットが運転されたときに発生するエネルギ価値を算出すると共に、前記エネルギ価値から前記発電ユニットのメンテナンスの費用を減算して発電ユニット発生エネルギ価格を算出する発電ユニット発生エネルギ価格算出手段と、
    b.前記内燃機関の燃料の消費量と前記燃料の価格から発電価格を算出する発電価格算出手段と、
    c.前記算出された発電ユニット発生エネルギ価格と発電価格を比較し、前記発電ユニット発生エネルギ価格が発電価格を超えるとき、前記発電ユニットの運転を許可する運転許可判定手段と、
    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. 前記運転許可判定手段は、前記発電ユニット発生エネルギ価格が発電価格を超えるときも、前記発電ユニットのメンテナンスまでの残り時間が所定時間未満のとき、前記発電ユニットの運転を禁止す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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