JP2009293447A - コージェネレーション装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電機とそれを駆動する内燃機関からなる発電ユニットを複数台備えたコージェネレーション装置において、貯湯槽を設置するスペースを小型化すると共に、貯湯槽の放熱ロスを減少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】発電機と内燃機関からなる発電ユニット１２（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）を複数台備えるコージェネレーション装置１０において、複数台の発電ユニット１２が接続されると共に、内燃機関の排熱を利用して生成された温水が貯留される単一の貯湯槽１４を備え、貯湯槽１４に貯留された温水の温度と電気負荷２２における電力需要を検出し、検出された温水の温度Ｔ１が第１の所定値Ｔｔａ以下のとき、検出された電力需要に基づいて駆動すべき発電ユニット１２の台数を決定し、駆動すべきと決定された発電ユニット１２の動作を制御する。
【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、発電機とそれを駆動する内燃機関からなる発電ユニットを複数台備え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（具体的には、温水を貯留する貯湯槽）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いる。

ところで、上記したコージェネレーション装置を共同住宅（例えばマンション）など電力需要や熱需要が比較的大きい施設に導入するとき、下記特許文献１記載の技術の如く、発電ユニットと貯湯槽をそれぞれ複数設置するのが一般的である。具体的には、１台の発電ユニットに対して１個の貯湯槽を設けるように構成し、それを複数組備えるようにしている。
特開２００５−２７８２３１号公報（段落００１２，００１５、図１など）

しかしながら、特許文献１記載の技術の如く、貯湯槽を複数個備えるように構成すると、貯湯槽を設置するためのスペースが増大すると共に、貯湯槽からの放熱量（放熱ロス）も増加するという不都合が生じていた。

従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、発電機とそれを駆動する内燃機関からなる発電ユニットを複数台備えたコージェネレーション装置において、貯湯槽を設置するスペースを小型化すると共に、貯湯槽の放熱ロスを減少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を複数台備えるコージェネレーション装置において、前記複数台の発電ユニットが接続されると共に、前記内燃機関の排熱を利用して生成された温水が貯留される単一の貯湯槽と、前記貯湯槽に貯留された温水の温度を検出する温水温度検出手段と、前記電気負荷における電力需要を検出する電力需要検出手段と、前記検出された温水の温度が第１の所定値以下のとき、前記検出された電力需要に基づいて駆動すべき前記発電ユニットの台数を決定する駆動発電ユニット数決定手段と、前記駆動すべきと決定された発電ユニットの動作を制御する発電ユニット制御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、前記検出された温水の温度が前記第１の所定値を超えたとき、前記発電ユニットの駆動を停止させる発電ユニット停止手段を備える如く構成した。

請求項３に係るコージェネレーション装置にあっては、前記貯湯槽に接続されると共に、前記検出された温水の温度が第２の所定値以下のとき、前記温水を加温する加温手段を備える如く構成した。

請求項１にあっては、発電機とそれを駆動する内燃機関からなる発電ユニットを複数台備えるコージェネレーション装置において、複数台の発電ユニットが接続されると共に、内燃機関の排熱を利用して生成された温水が貯留される単一の貯湯槽を備えるように構成、即ち、複数台の発電ユニットに対して単一の貯湯槽を設けるように構成したので、貯湯槽を設置するためのスペースを複数個の貯湯槽を備える場合に比して小型化できると共に、貯湯槽からの放熱量（放熱ロス）も減少させることができ、さらにコスト的にも有利である。

また、貯湯槽の温水の温度と電気負荷における電力需要を検出し、検出された温水の温度が第１の所定値以下のとき（換言すれば、貯湯槽（熱負荷）において熱需要があるとき）、電力需要に基づいて駆動すべき発電ユニットの台数を決定すると共に、駆動すべきと決定された発電ユニットの動作を制御するように構成したので、熱需要と電力需要の両方に即した熱量および電力を供給（出力）でき、よって各需要の変動に対する耐性を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、検出された貯湯槽の温水の温度が第１の所定値を超えたとき、発電ユニットの駆動を停止させるように構成、即ち、貯湯槽において熱需要がないときは発電ユニットの駆動を停止させるように構成したので、上記した効果に加え、余剰熱量が発生することがなく、よってコージェネレーション装置全体としての効率を向上させることができる。

請求項３に係るコージェネレーション装置にあっては、貯湯槽に接続されると共に、検出された貯湯槽の温水の温度が第２の所定値以下のとき、温水を加温する加温手段を備えるように構成したので、上記した効果に加え、例えば内燃機関からの排熱が不足して貯湯槽の温水の温度が比較的低いとき、加温手段によって温水を加温することで、温水の温度を所望する値まで昇温させることが可能となる。

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１において符号１０はコージェネレーション装置を示す。コージェネレーション装置１０は、発電機と内燃機関（以下「エンジン」という）（後述）などからなる発電ユニット１２を複数台（例えば３台）備えると共に、複数台の発電ユニット１２が接続され、エンジンの排熱を利用して生成された温水が貯留される単一の貯湯槽（熱負荷）１４と、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭおよびカウンタを備えた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）１６を備える。尚、図において３台の発電ユニット１２を符号１２ａ，１２ｂ，１２ｃで示す。

コージェネレーション装置１０は、電力需要や熱需要が比較的大きい施設（例えばマンションなどの共同住宅）２０に設置される。施設２０は、図１に示す如く、コージェネレーション装置１０などが設置される共用スペース２０ａと、家庭内の電気負荷（具体的には照明器具など）２２や給湯／暖房設備（具体的には、台所や風呂などの給湯設備あるいは排熱利用給湯暖房ユニット）２４などが設けられる住居スペース２０ｂとに区画される。

図２は、図１に示す３台の発電ユニット１２ａ，１２ｂ，１２ｃの内、１台の発電ユニット１２ａを示すブロック図である。上記した発電ユニット１２について図２を参照して詳しく説明する。

尚、以下において、発電ユニット１２を発電ユニット１２ａを例にとって説明するが、発電ユニット１２ｂ，１２ｃも略同一の構成であるため、以下の説明は発電ユニット１２ｂ，１２ｃにも妥当する。

発電ユニット１２は、商用電源（商用電力系統）２６から電気負荷２２に至る交流電力の給電路３０に接続可能な発電機（スタータ／ジェネレータ）３２と、発電機３２を駆動するエンジン３４からなる。商用電源２６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１２は一体化され、発電ユニットケース（筐体）３６の内部に収容される。

エンジン３４は都市ガス（あるいはＬＰガス。以下、単に「ガス」という）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３６においてエンジン３４のシリンダヘッドとシリンダブロック３４ａは水平方向（横向き）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。ピストンには鉛直方向（縦向き）に配置されるクランクシャフト（図示せず）が連結される。

発電機３２は多極コイルを備え、クランクシャフトの上端に取り付けられるフライホイール（図示せず）の内側のクランクケース上に固定され、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３２は、商用電源２６（あるいは図示しないバッテリ）から通電されるとき、エンジン３４をクランキングするスタータモータとしても機能する。

エンジン３４において空気（吸気）は吸気サイレンサ３４ｂ、エアクリーナ３４ｃを通ってミキサ３４ｄに入る。ミキサ３４ｄには燃料供給源（図示せず）からガスがガス比例弁ユニット３４ｅを介して供給され、そこで空気と混合させられる。ミキサ３４ｄとガス比例弁ユニット３４ｅからなるガスボックスにおいてミキサ３４ｄは電動モータで駆動されるスロットルバルブと可変ジェットを備える。

ミキサ３４ｄで生成された混合気は燃焼室（図示せず）に流れる。燃焼室の付近には点火プラグ３４ｆが配置される。点火プラグ３４ｆは、図示しないバッテリの出力がパワートランジスタやイグニッションコイルなどからなる点火装置３４ｇを介して供給されると、燃焼室に臨む電極間に火花放電を生じ、混合気を着火して燃焼させる。よって生じた排ガスは排気管３４ｈ、排気マフラ３４ｉを通って発電ユニットケース３６の外（庫外）に排出される。

エンジン３４のシリンダブロック３４ａの下部（クランクケースの図示省略）にはオイルタンク（オイルパン）３４ｋが形成され、そこにエンジン３４の潤滑オイルが貯留される。潤滑オイルはギヤポンプ（図示せず）で掻き上げられてピストンなどの摺動部分を潤滑した後、コンロッド（図示せず）やシリンダ壁面を伝わって落下し、オイルタンク３４ｋに貯留される。

発電機３２の出力はインバータユニット４０に送られる。インバータユニット４０はＤＣ−ＤＣコンバータなどを介して発電機３２の出力をＡＣ１００／２００Ｖ（単相）に変換する。インバータユニット４０は、発電ユニット１２（１２ａ）の動作を制御するコントロール部４２に接続され、コントロール部４２の指令を受けて発電機３２の機能をスタータとジェネレータの間で切り換える。

発電ユニット１２、より具体的には発電ユニット１２ａのインバータユニット４０の出力は、図２に示す如く、他の発電ユニット１２ｂ，１２ｃのインバータユニット（図示せず）の出力と合わせられた後、屋内配電盤４４に送られる。屋内配電盤４４は、過電流の通電などを防止する主幹ブレーカ４４ａと、インバータユニット４０の出力に商用電源２６の電力を加えて（連系させて）電気負荷２２に供給する分電盤４４ｂと、発電ユニット１２ａ，１２ｂ，１２ｃの専用ブレーカ４４ｃと、商用電源２６から主幹ブレーカ４４ａに至る給電路３０に配置されてそこを流れる交流電力の電流に応じた信号を生じる電流センサ（電力需要検出手段）４４ｄなどを備える。電流センサ４４ｄの出力はＥＣＵ１６に送られる。

このように、インバータユニット４０の出力は、屋内配電盤４４で商用電源２６から電気負荷２２に至る交流電力の給電路３０に接続可能にされる。尚、１台の発電ユニット１２の発電出力（定格電力）は、１．０ｋＷ程度である。

符号４６はエンジン３４を冷却する冷却水（不凍液）の通路を示す。通路４６はエンジン３４のシリンダブロック３４ａとオイルタンク３４ｋを通り、外部の貯湯槽１４に接続される。

即ち、図１および図２に示すように、貯湯槽１４から循環ポンプ５０によって圧送される低温の冷却水は通路４６の入口側４６ａに導かれ、オイルタンク３４ｋに形成されるタンク通路を通って潤滑オイルと熱交換して潤滑オイルを冷却した後、排気管３４ｈに配置された排気熱交換器３４ｍで排ガスと熱交換して昇温される。尚、排気熱交換器３４ｍは、例えば通路４６を変形させ、排気管３４ｈを覆うような構造としたものである。

排気熱交換器３４ｍを通過した冷却水は、シリンダブロック３４ａ（およびシリンダヘッド）に形成されるシリンダ通路を通ってエンジン３４と熱交換し、エンジン３４を冷却する。排ガスやエンジン３４との熱交換によって加温された高温の冷却水は出口側４６ｂから貯湯槽１４に戻され、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。このように、貯湯槽１４にはエンジン３４の排熱を利用して生成された温水が貯留される。

尚、発電ユニット１２は、図２に示すように、多くのセンサを備え、コントロール部４２はそれらの出力に基づいてエンジン３４の運転などを制御するが、その制御は本願と直接の関連を有しないため、説明を省略する。

図１の説明に戻ると、貯湯槽１４には、貯留された温水を流出させる流出路５２が設けられる。流出路５２は、図示の如く、下流側において複数本（例えば３本）の支路５２ａ，５２ｂ，５２ｃに分岐され、対応する住居スペース２０ｂの給湯／暖房設備２４に接続される。

貯湯槽１４から延びる支路５２ａ，５２ｂ，５２ｃには、それぞれ補助ボイラ（加温手段）５４が接続される。補助ボイラ５４は前述した燃料供給源に接続され、ＥＣＵ１６から駆動信号が出力されるとき、燃料供給源からのガスを燃焼させて支路５２ａ，５２ｂ，５２ｃを流れる温水を加温する。

また、貯湯槽１４（正確には、貯湯槽１４の重力方向において上部）には第１の温度センサ（温水温度検出手段）６０が配置され、貯湯槽１４の上部付近に貯留された温水の温度Ｔ１に応じた信号を出力する。さらに、貯湯槽１４の出口付近、詳しくは貯湯槽１４と流出路５２との接続部近傍には、第２の温度センサ（温水温度検出手段）６２が設けられ、貯湯槽１４から流出される温水（貯湯槽１４の出口付近に貯留された温水）の温度Ｔ２に応じた信号を出力する。これら温度センサ６０，６２の出力はＥＣＵ１６に入力される。

ＥＣＵ１６は、発電ユニット１２のコントロール部４２と通信自在に接続され、第１、第２の温度センサ６０，６２および電流センサ４４ｄの出力などに基づいて発電ユニット１２や補助ボイラ５４の動作を制御する。

図３は、そのＥＣＵ１６の動作、即ち、この実施例に係るコージェネレーション装置１０の動作を示すフロー・チャートである。図示のプログラムは、所定の周期（例えば１００ｍｓｅｃ）ごとに実行される。

先ずＳ１０において、第１の温度センサ６０の出力に基づき、貯湯槽１４の温水の温度Ｔ１、正確には貯湯槽１４の上部付近の温水の温度Ｔ１を検出（算出）する。次いでＳ１２に進み、検出された温水の温度Ｔ１が第１の所定値Ｔｔａ以下か否か判断する。第１の所定値Ｔｔａは、貯湯槽１４における熱需要の有無を判断可能な値（具体的には６５℃）に設定される。

Ｓ１２で肯定、即ち、貯湯槽１４における熱需要があると判断されるときはＳ１４に進み、電流センサ４４ｄの出力に基づいて電気負荷２２における電力需要（電気使用量）を検出（算出）する。次いでＳ１６に進み、検出された電力需要に基づいて駆動すべき発電ユニット１２の台数を決定する。具体的には、発電ユニット１台の定格電力は１．０ｋＷであるため、電力需要が１．０ｋＷ以上のときは発電ユニット１２を１台、２．０ｋＷ以上のときは２台、３．０ｋＷを超えたときは３台全ての発電ユニット１２を駆動すべきと決定する。即ち、電力需要の増加に伴って駆動すべき発電ユニット１２の台数を増加させると共に、常に発生した電力の全てを電気負荷２２に出力させることでコージェネレーション装置１０の効率が低下するのを防止する。

次いでＳ１８に進み、Ｓ１６で駆動すべきと決定された発電ユニット１２の動作を制御する、換言すれば、駆動すべきと決定された台数分の発電ユニット１２を駆動（稼動）させる。これにより、電気負荷２２には駆動された発電ユニット１２から電力が供給されると共に、発電ユニット１２の駆動によって生じるエンジン３４の排熱が貯湯槽１４に供給され、貯湯槽１４の温水を昇温させる。尚、電力需要が発電ユニット１２の出力電力を超え、電力が不足した場合は不足分の電力が商用電源２６から電気負荷２２に供給される。

次いでＳ２０に進んで第２の温度センサ６２の出力に基づき、貯湯槽１４の出口付近に貯留された温水、別言すれば、貯湯槽１４から給湯／暖房設備２４に供給される温水の温度Ｔ２を検出（算出）し、Ｓ２２に進み、検出された温水の温度Ｔ２が第２の所定値Ｔｔｂ以下か否か判断する。第２の所定値Ｔｔｂは、温水の供給先である給湯／暖房設備２４で必要な温水の温度（具体的には６０℃）に設定される。

Ｓ２２で否定されるときは給湯／暖房設備２４に対して十分な温度の温水が供給されているため、以降の処理をスキップしてプログラムを終了する。一方、Ｓ２２で肯定されるときはＳ２４に進み、補助ボイラ５４に駆動信号を出力して駆動（稼動）させ、流出路５２（正確には、支路５２ａ，５２ｂ，５２ｃ）を流れる温水を加温する。これにより、給湯／暖房設備２４には、必要な温度まで昇温させられた温水が供給されることとなる。

他方、Ｓ１２で否定されるときはＳ２６に進み、発電ユニット１２の駆動を停止させる。即ち、貯湯槽１４における熱需要がないと判断されるときは全ての発電ユニット１２の駆動を停止させる。従って、発電ユニット１２のエンジン３４の排熱が貯湯槽１４に供給されることはなく、よって余分な熱量が発生することはない。

以上の如く、この発明の実施例にあっては、商用電力系統（商用電源）２６から電気負荷２２に至る交流電力の給電路３０に接続可能な発電機（スタータ／ジェネレータ）３２と前記発電機を駆動する内燃機関（エンジン）３４からなる発電ユニット１２を複数台備えるコージェネレーション装置１０において、前記複数台の発電ユニットが接続されると共に、前記内燃機関の排熱を利用して生成された温水が貯留される単一の貯湯槽１４と、前記貯湯槽に貯留された温水の温度を検出する温水温度検出手段と（第１、第２の温度センサ６０，６２、ＥＣＵ１６。Ｓ１０）、前記電気負荷における電力需要を検出する電力需要検出手段と（電流センサ４４ｄ、ＥＣＵ１６。Ｓ１４）、前記検出された温水の温度が第１の所定値Ｔｔａ以下のとき、前記検出された電力需要に基づいて駆動すべき前記発電ユニットの台数を決定する駆動発電ユニット数決定手段と（ＥＣＵ１６。Ｓ１２，Ｓ１６）、前記駆動すべきと決定された発電ユニットの動作を制御する発電ユニット制御手段と（ＥＣＵ１６。Ｓ１８）を備える如く構成した。

このように、複数台の発電ユニット１２が接続されると共に、エンジン３４の排熱を利用して生成された温水が貯留される単一の貯湯槽１４を備えるように構成、即ち、複数台の発電ユニット１２に対して単一の貯湯槽１４を設けるように構成したので、貯湯槽１４を設置するためのスペースを複数個の貯湯槽を備える場合に比して小型化できると共に、貯湯槽１４からの放熱量（放熱ロス）も減少させることができ、さらにコスト的にも有利である。

また、貯湯槽１４の温水の温度Ｔ１が第１の所定値Ｔｔａ以下のとき（換言すれば、貯湯槽（熱負荷）１４において熱需要があるとき）、電力需要に基づいて駆動すべき発電ユニット１２の台数を決定し、駆動すべきと決定された発電ユニット１２の動作を制御するように構成したので、熱需要と電力需要の両方に即した熱量および電力を供給（出力）でき、よって各需要の変動に対する耐性を向上させることができる。

また、前記検出された温水の温度Ｔ１が前記第１の所定値Ｔｔａを超えたとき、前記発電ユニット１２の駆動を停止させる発電ユニット停止手段（ＥＣＵ１６。Ｓ１２，Ｓ２６）を備える如く構成、換言すれば、貯湯槽１４において熱需要がないときは発電ユニット１２を停止させるように構成したので、余剰熱量が発生することがなく、よってコージェネレーション装置１０全体としての効率を向上させることができる。

また、前記貯湯槽１４に接続されると共に、前記検出された温水の温度Ｔ２が第２の所定値Ｔｔｂ以下のとき、前記温水を加温する加温手段（補助ボイラ５４、ＥＣＵ１６。Ｓ２０〜Ｓ２４）を備える如く構成したので、エンジン３４からの排熱が不足して貯湯槽１４の温水の温度が比較的低いとき、補助ボイラ５４によって温水を加温することで、温水の温度を所望する値まで昇温させることが可能となる。

尚、上記において、発電ユニット１２を３台備えるように構成したが、２台あるいは４台以上であっても良く、要は複数台の発電ユニット１２に対して単一の貯湯槽１４を備える構成であれば良い。

また、発電機３２の駆動源を都市ガス・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、発電ユニット１２の定格出力およびエンジン３４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。

また、実施例において商用電源２６が出力する交流電力を１００／２００Ｖとしたが、商用電源２６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ユニット１２から出力させることはいうまでもない。

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３台の発電ユニットの内、１台の発電ユニットを示すブロック図である。 図１に示すＥＣＵの動作を示すフロー・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 発電ユニット、１４ 貯湯槽、１６ ＥＣＵ（電子制御ユニット）、２２ 電気負荷、２６ 商用電源（商用電力系統）、３０ 給電路、３２ 発電機（スタータ／ジェネレータ）、３４ エンジン（内燃機関）、４４ｄ 電流センサ（電力需要検出手段）、５４ 補助ボイラ（加温手段）、６０ 第１の温度センサ（温水温度検出手段）、６２ 第２の温度センサ（温水温度検出手段）

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からなる発電ユニットを複数台備えるコージェネレーション装置において、
   ａ．前記複数台の発電ユニットが接続されると共に、前記内燃機関の排熱を利用して生成された温水が貯留される単一の貯湯槽と、
   ｂ．前記貯湯槽に貯留された温水の温度を検出する温水温度検出手段と、
   ｃ．前記電気負荷における電力需要を検出する電力需要検出手段と、
   ｄ．前記検出された温水の温度が第１の所定値以下のとき、前記検出された電力需要に基づいて駆動すべき前記発電ユニットの台数を決定する駆動発電ユニット数決定手段と、
   ｅ．前記駆動すべきと決定された発電ユニットの動作を制御する発電ユニット制御手段と、
   を備えることを特徴とするコージェネレーション装置。
2. ｆ．前記検出された温水の温度が前記第１の所定値を超えたとき、前記発電ユニットの駆動を停止させる発電ユニット停止手段、
   を備え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. ｇ．前記貯湯槽に接続されると共に、前記検出された温水の温度が第２の所定値以下のとき、前記温水を加温する加温手段、
   を備える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。

Images