JP2010112247A - 分散型創エネルギー装置の制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】分散型創エネルギー装置を可能な限り効率良く運転させることができる分散型創エネルギー装置の制御システムを提供する。
【解決手段】電気負荷設備と、熱負荷設備と、電力を蓄積させる蓄電池７１と、熱を蓄積させる貯湯タンク７２とを備えた住宅６にエネルギーを供給する分散型創エネルギー装置５の制御システム１である。
そして、電気負荷設備と熱負荷設備との優先度を判断する優先度判断手段３と、電気負荷設備の優先度が高い場合に、その電気消費量と蓄電池の蓄電量に基づいてコジェネ装置５１の稼働を制御する電気優先制御手段４１と、熱負荷設備の優先度が高い場合に、その熱消費量と貯湯タンク７２の貯湯量に基づいてコジェネ装置５１の稼働を制御する熱優先制御手段４２とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料や太陽エネルギーによって発電と熱の生成をおこなうコジェネレーション（以下、「コジェネ」という。）装置などの住宅に配置される分散型創エネルギー装置の制御システムに関するものである。

従来、複数の住宅が集合した地域社会に、大規模なライフラインとは別に電気、ガス、水などのエネルギーを供給するエネルギー供給システムが知られている（特許文献１，２など参照）。

例えば、特許文献１には、コジェネ設備によって発電した際に、電力とその発電によって発生する熱とを各住宅に供給することで、地域内でエネルギーの有効利用を図る発明が開示されている。

また、特許文献２には、離島などのライフラインが整備されていない集落において、街灯や水道ポンプの作動などに利用する電力の発電は共同でおこない、各住宅で使用する電力は自家発電によって賄うことを原則とし、自家発電が不足したり、故障したりした場合には電力の分配が可能となるようにそれぞれを電線で接続した構成が開示されている。
特許第３７７６０１０号公報 特開２００６−１１５６６１号公報

しかしながら、分散型創エネルギー装置の一つである分散型発電装置によって電力と熱を生成した場合、その両方をバランスよく使い切ることは難しく、電力の必要量に合わせて発電すると熱が余り、熱の必要量に合わせて発電すると電力が余るという問題があった。

例えば、熱が余る状況は、お湯の消費量の少ない夏季に起きやすく、年間を通じて同じ制御をおこなうと、冬季にはお湯（熱）が足りなくなるためお湯を創ると今度は電力が余るという状況が起きる。

さらに、分散型発電装置は、頻繁に稼働と停止を繰り返すと、運転効率が著しく低下するという問題がある。他方、電力を蓄積する蓄電装置は、蓄電容量を大きくするとコストが嵩むうえに、蓄電時の放電などによるエネルギー損失が発生するため、その大きさには限界がある。

そこで、本発明は、分散型創エネルギー装置を可能な限り効率良く運転させることができる分散型創エネルギー装置の制御システムを提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の分散型創エネルギー装置の制御システムは、電気負荷設備と、熱負荷設備と、電力を蓄積させる蓄電装置と、熱を蓄積させる蓄熱装置とを備えた住宅にエネルギーを供給する分散型創エネルギー装置の制御システムであって、前記電気負荷設備と前記熱負荷設備との優先度を判断する優先度判断手段と、前記電気負荷設備の優先度が高い場合に、その電気消費量及び前記蓄電装置の蓄電量の少なくとも一方に基づいて前記分散型創エネルギー装置の稼働を制御する電気優先制御手段と、前記熱負荷設備の優先度が高い場合に、その熱消費量及び前記蓄熱装置の蓄熱量の少なくとも一方に基づいて前記分散型創エネルギー装置の稼働を制御する熱優先制御手段とを備えたことを特徴とする。

ここで、前記優先度判断手段では、前記分散型創エネルギー装置によって生成されたエネルギーの利用効率に基づいて前記優先度を判断させることができる。

また、前記電気優先制御手段によって制御をおこなう場合は、前記蓄電装置の蓄電量が２４時付近で最少となるように制御することができる。さらに、前記熱優先制御手段によって制御をおこなう場合は、前記蓄熱装置の蓄熱量が２４時付近で最少となるように制御することができる。

また、前記電気優先制御手段又は前記熱優先制御手段では、前記分散型創エネルギー装置の連続稼働時間を可能な限り長くするために、前記蓄電装置又は前記蓄熱装置の蓄積量が所定値以下のときにのみ前記分散型創エネルギー装置を稼働させる制御をおこなうことができる。

さらに、前記蓄電設備の蓄電量と前記蓄熱設備の蓄熱量とから前記電気負荷設備の作動可能時間と前記熱負荷設備の作動可能時間とを算出する利用可能量分析手段を備えた構成とすることができる。

ここで、前記利用可能量分析手段では、前記電気負荷設備又は前記熱負荷設備に含まれる機器に優先順位を付け、その優先順位に従って各機器の作動可能時間を算出することができる。

このように構成された本発明の分散型創エネルギー装置の制御システムは、優先度判断手段によって電気負荷設備と熱負荷設備との優先度を判断し、その優先度に基づいて電気優先制御手段又は熱優先制御手段により分散型創エネルギー装置の稼働を制御する。

このため、電気消費量の多い時期と熱消費量の多い時期とを区別してそれぞれの時期で最適な運転をおこなうことができるので、分散型創エネルギー装置の運転効率を高めることができる。

また、優先度判断手段において、分散型創エネルギー装置で生成された電力や熱などのエネルギーの利用効率に基づいて優先度を判断するようにすれば、より分散型創エネルギー装置の運転効率を高めることができる。

さらに、このような制御をおこなうことによって、ライフラインが整備されていない地域や災害などの非常時においても、電気負荷設備や熱負荷設備の使用が可能な快適な生活をおくることができる。

また、電気優先制御手段によって制御をおこなうに際して、２４時付近で蓄電装置の蓄電量が最少となるような制御をすることで、分散型創エネルギー装置によって生成されたエネルギーが廃棄される量を最小限に抑えることができる。同じく、熱優先制御手段によって制御をおこなうに際して、２４時付近で蓄熱装置の蓄熱量が最少となるような制御をすることで、分散型創エネルギー装置によって生成されたエネルギーが廃棄される量を最小限に抑えることができる。

また、蓄電装置又は蓄熱装置の蓄積量が所定値以下になったときにだけ分散型創エネルギー装置を稼働させる制御とすることで、分散型創エネルギー装置を長く稼働させることができ、運転効率を向上させることができる。

さらに、蓄電量と蓄熱量から利用可能量分析手段によって電気負荷設備と熱負荷設備の作動可能時間が算出できれば、平常時には、常に各設備の残り作動時間を意識した省エネルギー生活を送ることができる。他方、災害などの非常時には、残り時間と生活の快適度とを比較しながらエネルギーの消費をおこなうことができる。

また、電気負荷設備又は熱負荷設備に含まれる機器に優先順位を付けることで、機器ごとの作動可能時間を把握することができるようになる。

以下、本発明の最良の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の分散型創エネルギー装置５の制御システム１の構成を示したブロック図である。

ここで、分散型創エネルギー装置５としては、図２に示すように、ペレットなどの可燃材料や化石燃料などを焼却することによって発電と熱の生成をおこなうコジェネ装置５１、太陽エネルギーにより発電と熱の生成をおこなう太陽熱コジェネ装置（図示省略）、その他の分散型発電装置などが使用できる。

まず構成から説明すると、この制御システム１は、図１に示すように、電気負荷設備と熱負荷設備との優先度を判断する優先度判断手段３と、制御部４とから主に構成されている。

そして、この制御部４には、電気負荷設備の優先度が高い場合にその電気消費量及び蓄電装置の蓄電量の少なくとも一方に基づいて分散型創エネルギー装置５の稼働を制御する電気優先制御手段４１と、熱負荷設備の優先度が高い場合にその熱消費量及び蓄熱装置の蓄熱量の少なくとも一方に基づいて分散型創エネルギー装置５の稼働を制御する熱優先制御手段４２と、蓄電設備の蓄電量と蓄熱設備の蓄熱量とから電気負荷設備と熱負荷設備の作動可能時間を算出する利用可能量分析手段４３とから主に構成される。

一方、この制御システム１によってコジェネ装置５１及び太陽光発電装置５２の制御がおこなわれる住宅６には、図２に示すように、エアコン６１ａ、テレビ６１ｂ、冷蔵庫（図示省略）、水道ポンプ（図示省略）などの電気負荷設備と、給湯口６２などの熱負荷設備と、電力を蓄積させる蓄電装置としての蓄電池７１と、熱を蓄積させる蓄熱装置としての貯湯タンク７２とが備えられている。

このコジェネ装置５１は、蓄電池７１に接続されるとともに、貯湯タンク７２にも接続されている。すなわち、この貯湯タンク７２では、コジェネ装置５１によって生成された熱で創られた湯を貯蔵する。

また、住宅６の屋根に設置された太陽光発電装置５２，・・・も蓄電池７１に接続されている。なお、図示していないが、コジェネ装置５１と太陽光発電装置５２，・・・とは、蓄電池７１を介さずに直接、電気負荷設備に接続される経路があってもよい。

そして、蓄電池７１には、エアコン６１ａ及びテレビ６１ｂが接続され、これらの機器はそこから供給される電力によって作動する。また、貯湯タンク７２は、給湯口６２に繋がっており、そこから供給されるお湯をバスルームなどで利用する。

このようにエアコン６１ａやテレビ６１ｂなどの電気負荷設備が消費するエネルギー消費量の情報が、図１に示す電気消費量情報２１となる。また、給湯口６２から供給されるお湯などの消費量の情報が、熱消費量情報２２となる。

さらに、蓄電池７１に蓄電されている残量が蓄電量情報２３となり、貯湯タンク７２に貯蔵されている湯の残量が蓄熱量情報２４となる。

一方、電気消費量や熱消費量は、後述するように季節や天候によって影響を受けるため、気象情報２５も取り込めるようにしておく。

そしてこれらの情報２１−２５に基づいて、優先度判断手段３では、電気負荷設備の負荷が大きくなっているか、それとも熱負荷設備の負荷が大きくなっているかを判断する。

ここで、図３は、分散型創エネルギー装置５によって自立可能な住宅６のエネルギー制御の概要を示した説明図である。

まず、ブロックＢ１は、コジェネ装置５１や太陽光発電装置５２などの電力や熱などのエネルギーを創ることに関する構成である。また、ブロックＢ２は、蓄電池７１や貯湯タンク７２などの電力や熱などのエネルギーを貯めることに関する構成である。さらに、ブロックＢ３は、エアコン６１ａ、テレビ６１ｂ、給湯口６２などのエネルギーを使うことに関する構成である。

例えば、コジェネ装置５１には、基本運転スケジュールＢ１１があるが、気象情報Ｂ４などによりエネルギー不足などが予想されたときの補正運転情報Ｂ１２がある場合は、その情報によって補正された信号によって稼働する。そして、稼働時の情報は運転情報Ｂ１３として出力され、その情報に基づいて補正運転情報Ｂ１２が補正Ｂ１４される。

また、蓄電池７１及び貯湯タンク７２にも、基本運転スケジュールＢ２１があり、上記と同様に補正運転情報Ｂ２２がある場合は、その情報によって補正された信号によって制御される。そして、蓄電量や蓄熱量などの情報は運転情報Ｂ２３として出力されて表示器Ｂ２４に表示される。

なお、これらの基本運転スケジュールＢ１１，Ｂ２１は、気象情報Ｂ４や居住人数の変更など負荷変動の発生につながる情報によって修正することができる。

一方、電気負荷設備や熱負荷設備のエネルギー消費量は、気候、住宅６の躯体性能（断熱性能）、南向きなどの方位、住人の数や年齢などの家族構成、生活パターンなどの要因に基づいて、ある程度、予測することができる。

図４（ａ）は、ある住宅６のある一日の電気消費量の予測値と実測値とを、時刻を横軸にして示したものである。この図から、電気消費量は、一日の中で大きく波うち変動することがわかる。

そして、図３に示すように、実際に電気負荷設備などで消費された実測値と予測消費曲線との差異を監視し（ブロックＢ３１）、電気負荷設備などで実際に消費されたエネルギー消費量は表示器Ｂ３２に表示する。

また、このような電気負荷設備などを作動させたときに得られる情報は、実績として蓄積し、今後の予測に活用させるための学習用データとし（ブロックＢ３３）、基本運転スケジュールＢ１１にフィードバックＢ５させる。

さらに、予測消費曲線との差異監視Ｂ３１からは、補正追加運転を検討するとともに（ブロックＢ３４）、創るブロックＢ１と貯めるブロックＢ２に追加運転指示を与えることができる（ブロックＢ３５）。

例えば、図４（ｂ）は、エネルギー消費量の予測値と実測値との差から、その後のエネルギー消費量を予測する方法を説明する図である。まず、時刻ｈにおいて、予測曲線と実測曲線との傾き差異を判定し、１時間前の時刻ｈ−１との比較によって増分を算出する。

そして、算出された予測曲線での増分との差を、１時間後の時刻ｈ＋１の実測曲線の予測値に反映するように演算し（図４（ｂ）の破線参照）、上記傾き差異などから算出された時刻ｈ＋１の修正消費予測値（図４（ｂ）の二点鎖線参照）に合わせるように運転制御をおこなう。

以上に説明したように、エネルギー消費量である電気消費量及び熱消費量を予測することができる。

一方、図５（ａ）には夏季の、図５（ｂ）には冬季の電気消費量及び熱消費量を棒グラフで示した。この図５からわかるように、夏季は冬季に比べて電気消費量が多くなることがわかる。これは、冷房設備であるエアコン６１ａを作動させることによる影響が大きいものと思われる。これに対して、お湯の消費量などの熱消費量は、夏季はあまり多くならないのに比べ、冬季の消費量が非常に多くなることがわかる。

このように同じ住宅６においても、電気消費量と熱消費量は季節によって大きく異なることがわかる。そこで、図１に示すように、制御部４に電気優先制御手段４１と熱優先制御手段４２とを設け、優先度判断手段３によって優先度が高いと判断された設備に適した制御をおこなう。

図６は、制御システム１の処理の流れを説明するフローチャートである。

まず、ステップＳ１で月又は日を入力する。例えば、入力された月が夏季であれば電気優先とし、冬季であれば熱優先とする。なお、春季及び秋季は電気優先とする。

そして、ステップＳ２で電気優先か否かを判断し、電気優先のときには電気優先制御に移行する（ステップＳ３）。この電気優先制御手段４１では、時間帯毎のエネルギー収支（使用可能エネルギー量−エネルギー消費量）がマイナスにならないことを前提に、蓄電池７１の蓄電量が極力少なくなるような運転をおこなう。例えば、蓄電池７１の蓄電量が２４時に最少となるような制御をおこなう。

さらに、前時刻の蓄電量が１Ｋｗ未満となった場合、又は前時刻の蓄電量の８２％（蓄電時の放電ロスを１８％と設定）が現時刻の電気消費量と次時刻の電気消費量との合計を下回った場合（ステップＳ４）に、コジェネ装置５１を稼働させる（ステップＳ７）。

他方、ステップＳ２で熱優先と判断されたときには熱優先制御に移行する（ステップＳ５）。この熱優先制御手段４２では、時間帯毎のエネルギー収支がマイナスにならないことを前提に、貯湯タンク７２の蓄熱量が極力少なくなるような運転をおこなう。例えば、貯湯タンク７２の貯湯量が２４時に最少となるような制御をおこなう。

さらに、前時刻の蓄熱量が１Ｋｗ未満となった場合、又は前時刻の蓄熱量が現時刻の熱消費量と次時刻の熱消費量との合計を下回った場合（ステップＳ６）に、コジェネ装置５１を稼働させる（ステップＳ７）。なお、暖房機器に熱を利用する場合は、前時刻の蓄熱量が１Ｋｗ未満となった場合、又は前時刻の蓄熱量が現時刻の熱消費量と５時間後までの熱消費量との合計を下回った場合に、コジェネ装置５１を稼働させるという運転ルールを使用する。

また、このような制御をおこなっても余剰熱が発生する場合は、余剰熱から冷熱を生成する吸収式冷凍装置（図示省略）を配置することもできる。

この吸収式冷凍装置は、コジェネ装置５１から排出される80〜90℃程度の温水から低温の冷熱を生成する装置である。この吸収式冷凍装置では、冷媒を低温低圧の蒸発器の中で蒸発させて冷水をつくり、蒸発冷媒は吸収器において吸収液に吸収させる。そして、冷媒を吸収した吸収液は再生器において熱を加えて冷媒を蒸発させて分離し、再び吸収器に戻す。さらに、蒸発分離した冷媒は、凝縮器で冷却して液化させ、再び蒸発器で利用する。ここで、冷媒には水を、吸収液には臭化リチウムを使用することができる。

他方、余剰電力が発生する場合は、共用の設備として設置した蓄エネルギー装置に蓄積したり、電気式ヒートポンプ給湯器を作動させて熱を生成したり、電気自動車の電力に利用したり、街灯などの共用の電気負荷設備に利用したり、商用の系統電力に売電したりすることができる。

また、制御部４に設けられた利用可能量分析手段４３では、蓄電池７１の蓄電量及び貯湯タンク７２の蓄熱量から、電気負荷設備や熱負荷設備がどのくらいの時間利用可能かを分析する。

例えば、蓄電池７１の蓄電量から、エアコン６１ａなら○○時間、テレビ６１ｂなら△△時間使用できる、というように作動可能な残り時間を算出する。また、エアコン６１ａ、テレビ６１ｂ、冷蔵庫、水道ポンプなどの機器に優先順位が付けられている場合は、例えば優先順位の高い、水道ポンプ、冷蔵庫の残り時間を算出した後に、さらに余った蓄電量からエアコン６１ａ、テレビ６１ｂの作動可能時間を算出するというような分析をおこなうこともできる。

そして、この利用可能量分析手段４３の分析結果は、住宅６に設置された表示器（図示省略）に表示させることができる。また、算定された時間まで作動させた機器を停止させたり、優先度の高い機器の作動可能時間が短くなった場合に分散型創エネルギー装置５を稼働させたりという制御に利用することもできる。

次に、本実施の形態の制御システム１の作用について説明する。

このように構成された本実施の形態の分散型創エネルギー装置５の制御システム１は、優先度判断手段３によって電気負荷設備と熱負荷設備との優先度を判断し、その優先度に基づいて電気優先制御手段４１又は熱優先制御手段４２によりコジェネ装置５１の稼働を制御する。

このため、電気消費量の多い時期と熱消費量の多い時期とを区別してそれぞれの時期で最適な運転をおこなうことができるので、コジェネ装置５１の運転効率を高めることができる。

また、このような制御をおこなうことによって、ライフラインが整備されていない地域や災害などの非常時においても、電気負荷設備や熱負荷設備の使用が可能な快適な生活をおくることができる。

さらに、蓄電量と蓄熱量から利用可能量分析手段４３によって電気負荷設備と熱負荷設備の作動可能時間が算出できれば、平常時には、常に各設備の残り作動時間を意識した省エネルギー生活を送ることができる。他方、災害などの非常時には、残り時間と生活の快適度とを比較しながらエネルギーの消費をおこなうことができる。

また、電気負荷設備又は熱負荷設備に含まれる機器に優先順位を付けることで、機器ごとの作動可能時間を把握することができ、非常時の判断を助けることができる。

また、電気優先制御手段４１によって制御をおこなうに際して、２４時付近で蓄電池７１の蓄電量が最少となるような制御をすることで、コジェネ装置５１によって生成された熱などのエネルギーが廃棄される量を最小限に抑えることができる。

同様に、熱優先制御手段４２によって制御をおこなうに際して、２４時付近で貯湯タンク７２の蓄熱量が最少となるような制御をすることで、コジェネ装置５１によって生成された電力などのエネルギーが余剰となる量を最小限に抑えることができる。

また、蓄電池７１又は貯湯タンク７２の蓄積量が所定値以下になったときにだけコジェネ装置５１を稼働させる制御とすることで、コジェネ装置５１を長く稼働させることができ、運転初期の低効率となる運転時間の割合を減らして全体の運転効率を向上させることができる。

以上、図面を参照して、本発明の最良の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

例えば、前記実施の形態では、優先度判断手段３において、夏季、冬季などの季節、月又は日によって電気と熱の優先度を判断したが、これに限定されるものではなく、分散型創エネルギー装置５によって生成されたエネルギーの利用効率が最も良くなる制御の予測結果を基準にして、その都度、優先度を判断するようにしてもよい。

本発明の最良の実施の形態の制御システムの構成を説明するブロック図である。 本発明の最良の実施の形態の制御システムによって運転されるコジェネ装置を備えた住宅の構成を示した説明図である。 自立可能型住宅のエネルギー制御の概要を示した説明図である。 （ａ）は一日の電気消費量の推移を示したグラフ、（ｂ）はエネルギー消費量の予測方法を説明するためのグラフである。 （ａ）は夏季の一日の電気消費量と熱消費量の推移を示した棒グラフ、（ｂ）は冬季の一日の電気消費量と熱消費量の推移を示した棒グラフである。 制御システムの処理の流れを説明するフローチャートである。

符号の説明

１ 制御システム
３ 優先度判断手段
４ 制御部
４１ 電気優先制御手段
４２ 熱優先制御手段
４３ 利用可能量分析手段
５ 分散型創エネルギー装置
５１ コジェネ装置（分散型創エネルギー装置）
６ 住宅
６１ａ エアコン（電気負荷設備）
６１ｂ テレビ（電気負荷設備）
６２ 給湯口（熱負荷設備）
７１ 蓄電池（蓄電装置）
７２ 貯湯タンク（蓄熱装置）

Claims (7)

1. 電気負荷設備と、熱負荷設備と、電力を蓄積させる蓄電装置と、熱を蓄積させる蓄熱装置とを備えた住宅にエネルギーを供給する分散型創エネルギー装置の制御システムであって、
   前記電気負荷設備と前記熱負荷設備との優先度を判断する優先度判断手段と、
   前記電気負荷設備の優先度が高い場合に、その電気消費量及び前記蓄電装置の蓄電量の少なくとも一方に基づいて前記分散型創エネルギー装置の稼働を制御する電気優先制御手段と、
   前記熱負荷設備の優先度が高い場合に、その熱消費量及び前記蓄熱装置の蓄熱量の少なくとも一方に基づいて前記分散型創エネルギー装置の稼働を制御する熱優先制御手段とを備えたことを特徴とする分散型創エネルギー装置の制御システム。
2. 前記優先度判断手段では、前記分散型創エネルギー装置によって生成されたエネルギーの利用効率に基づいて前記優先度を判断することを特徴とする請求項１に記載の分散型創エネルギー装置の制御システム。
3. 前記電気優先制御手段によって制御をおこなう場合は、前記蓄電装置の蓄電量が２４時付近で最少となるように制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の分散型創エネルギー装置の制御システム。
4. 前記熱優先制御手段によって制御をおこなう場合は、前記蓄熱装置の蓄熱量が２４時付近で最少となるように制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の分散型創エネルギー装置の制御システム。
5. 前記電気優先制御手段又は前記熱優先制御手段では、前記分散型創エネルギー装置の連続稼働時間を可能な限り長くするために、前記蓄電装置又は前記蓄熱装置の蓄積量が所定値以下のときにのみ前記分散型創エネルギー装置を稼働させる制御をおこなうことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の分散型創エネルギー装置の制御システム。
6. 前記蓄電設備の蓄電量と前記蓄熱設備の蓄熱量とから前記電気負荷設備の作動可能時間と前記熱負荷設備の作動可能時間とを算出する利用可能量分析手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の分散型創エネルギー装置の制御システム。
7. 前記利用可能量分析手段では、前記電気負荷設備又は前記熱負荷設備に含まれる機器に優先順位を付け、その優先順位に従って各機器の作動可能時間を算出することを特徴とする請求項６に記載の分散型創エネルギー装置の制御システム。

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