JP2011004476A - 電力負荷制御装置および電力負荷制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】再生可能エネルギーを利用した発電装置において、余剰電力が発生した際ヒートポンプ貯湯式給湯装置を適切に制御する。
【解決手段】再生可能エネルギーを利用した発電装置と、ヒートポンプと、貯湯槽と、現在の貯湯量と目標貯湯量を比較する貯湯量比較部と、湯水の加熱温度を決定する温度決定部と、ヒートポンプを温度決定部が決定した加熱温度で動作させる加熱制御部と、発電装置の発電電力と発電装置がある施設の消費電力を比較して余剰電力を得る余剰電力取得部とを備え、加熱制御部は、余剰電力が存在する場合には現在の貯湯量が目標貯湯量か否かにかかわらずヒートポンプを動作させ、かつ、温度決定部は、現在の貯湯量が目標貯湯量より多い場合の加熱温度を現在の貯湯量が目標貯湯量より少ない場合の通常の加熱温度よりも高くする。
【選択図】図２

Description

本発明は、再生可能エネルギーを利用した発電装置の余剰電力を制御する電力負荷制御装置およびその方法に関するものである。

従来より、無尽蔵な太陽エネルギーを電気エネルギーに変換して発電を行う太陽光発電の導入が促進されている。かかる太陽光発電によれば、エネルギー源として石油等の天然資源に依存する割合を低減でき、地球環境の保全につながるとして期待されている。

近年、太陽光発電の導入価格の低下、環境保全意識の高まり、および石油価格の変動による代替エネルギーへの転換需要により、一般家庭等にも太陽光発電が普及しつつある。特に、新規に開発された住宅地などでは、地域全体に計画的に太陽光発電を導入し、大規模な太陽光発電が行われるケースも出現し始めている。

通例、一般家庭等に取り付けられた太陽光発電装置は、電気事業者の送電線に連系されている。そして、太陽光発電がその建物の使用量を上回った余剰電力を、連系された配電系統に折り返し、所定の電気事業者に売却している。なお、一般には発電した電気量を計測する発電メータ（いわゆる売電メータ）を配置することにより売却電気量を把握している。

今後、太陽光発電装置の普及が大規模に進展すると、逆潮流する電流量が系統全体の電流量に対して無視できない比率となる可能性がある。すると日中は過大な余剰電力が逆潮流して、系統の電圧が上昇したり、発電所の周波数が速くなったりする可能性がある。また夜間は太陽電池による発電がないために電力が不足し、系統の電圧が低下したり、発電所が負荷過大となって周波数が低くなったりするおそれもある。

そこで、系統の周波数や電圧が変動してしまうことを防止するために、太陽光発電装置から極端に大量の電力が系統に逆潮流することを抑制する必要がある。例えば特許文献１では、発電装置で発電した電力を蓄える蓄電装置に設け、直流電力の出力変動分を充放電手段により調整して商用電源系統への逆潮流の急激な変動を抑制する発電装置が開示されている。

ところで近年、住宅等における熱源の１つとして、湯水（温水）を貯湯槽（貯湯タンクと称されることもある。）に貯湯しておき、必要に応じて貯湯槽から給湯設備等に供給する貯湯式給湯装置の普及が進んでいる。貯湯式給湯装置は、安価な夜間電力を利用して生成した湯水を貯湯槽に貯湯し、貯湯された湯水を日中使用する装置である。

そして特許文献２では、このヒートポンプ式給湯器を利用して、発電装置の余剰電力を消費させる装置が開示されている。詳しくは、家庭内の消費電力に比べて発電装置の発電電力の方が所定の差以上に大きくなったとき、すなわち余剰電力が発生した際には、昼間であってもその余剰電力でヒートポンプ貯湯式給湯装置を稼動させて余剰電力を消費させる発電装置が開示されている。

特開２００１−５５４３号公報 特開２００４−１９４４８５号公報

しかし、特許文献１の構成の発電装置は、系統への逆潮流の急激な変動を抑制するための装置であって、逆潮流を低減するものではない。このため、特許文献１の構成の発電装置が一部地域に局所的に集中して配置された場合には、系統への逆潮流が増大し、系統の周波数や電圧に大きく影響を与える可能性が依然として残されている。

また、特許文献２の構成の発電装置は、余剰電力が発生した際に、直ちにヒートポンプ貯湯式給湯装置を稼動させるものである。すなわち、余剰電力が発生した際の貯湯量や貯湯されている湯水の温度に関わらず、ヒートポンプ貯湯式給湯装置を稼動させてしまう。すると、いわば必要以上に追い焚きした大量の高温水が貯湯槽に貯湯され、使い切れないまま夜間になったり、翌日を迎えたりするおそれがある。すると貯湯槽内の湯水は自然に温度が低下していくものであるから、貯湯槽内に大量の中途半端なぬるま湯が残ることになる。このようなぬるま湯は結局のところ夜間などに焚き直しすることになり、重複した加熱処理が消費電力の無駄を生じるおそれがある。

また貯湯槽内に大量のぬるま湯が残っていると、貯湯槽の下部の低温域の温度も上昇してしまう。そして、焚き直しに際して入水温度が高くなってしまうことにより、ＣＯＰ（Coefficient Of Performance:成績係数）が低くなってしまう。この点においても、消費電力に無駄を生じるおそれがある。したがって、特許文献２の構成の発電装置では、余剰電力を有効消費しているとは言いがたい。

本発明は、このような課題に鑑み、再生可能エネルギーを利用した発電装置において、余剰電力が発生した際にヒートポンプ貯湯式給湯装置を適切に制御することで、系統への逆潮流を抑制しつつ、かつ余剰電力の有効消費が可能な電力負荷制御装置および電力負荷制御方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明にかかる電力負荷制御装置の代表的な構成は、再生可能エネルギーを利用した発電装置と、湯水を加熱するヒートポンプと、ヒートポンプで加熱された湯水を蓄える貯湯槽と、現在の貯湯量と目標貯湯量とを比較する貯湯量比較部と、ヒートポンプによる湯水の加熱温度を決定する温度決定部と、ヒートポンプを温度決定部が決定した加熱温度となるように動作させる加熱制御部と、発電装置の発電電力と発電装置が設置された施設の消費電力とを比較して余剰電力を取得する余剰電力取得部と、を備え、加熱制御部は、余剰電力が存在する場合には、現在の貯湯量が目標貯湯量に達しているか否かにかかわらずヒートポンプを動作させ、かつ、温度決定部は、現在の貯湯量が目標貯湯量より多い場合の加熱温度を、現在の貯湯量が目標貯湯量より少ない場合の通常の加熱温度よりも高くすることを特徴とする。

上記構成によれば、余剰電力が発生した場合に、余剰電力をヒートポンプの動作に利用し、熱変換して貯湯することで、系統への逆潮流を抑制することができる。さらに現在の貯湯量が目標貯湯量以上であるとき、すなわち既に十分な量の湯が蓄えられているときは、通常よりも加熱温度を高温にする。これにより、仮に同じだけの余剰電力を消費する場合であっても貯湯槽内での温度勾配を大きくし、貯湯槽の下部の温度が上昇してしまうことを防止することができる。また追い焚きした湯が使用されるまで長時間が経過し、温度低下したとしても、高温で加熱していることにより適温以上を保てる時間を飛躍的に延長することができる。したがって余剰電力にて焚いた湯が無駄になることはなく、余剰電力を有効に消費（吸収）することができる。

温度決定部は、余剰電力取得部が取得した余剰電力の量に応じて加熱温度を決定するとよい。

ヒートポンプを用いて電力を消費しようとするとき、時間の経過を考えなければ、温度を一定にしてヒートポンプの稼働時間によって調節することも考えられる。しかし再生可能エネルギーによる発電は継続的なものであって、逆潮流を確実に防止するためには継続的に電力を消費する必要がある。すなわち、余剰電力が発生している限りにおいては、ヒートポンプを稼働させつづける必要がある。

一方、少しでも余剰電力が発生したときに、常にそのヒートポンプにおける最大の加熱温度で動作させてしまうと、貯湯槽内の温度が高くなりすぎてしまうおそれがある。そこで上記のように、余剰電力の量に応じて加熱温度を決定することにより、貯湯槽内の必要以上の温度上昇を抑えつつ、適切に余剰電力を吸収することができる。

貯湯槽を上部、中部、下部と三分割した場合に、ヒートポンプから貯湯槽の上部に接続された上部戻り配管と、ヒートポンプから貯湯槽の中部に接続された中部戻り配管と、ヒートポンプから上部戻り配管または中部戻り配管に切り替える切替弁と、少なくとも貯湯槽の上部の温度を検知する温度検知部とを備え、加熱制御部は、ヒートポンプにおける加熱温度が貯湯槽の上部の温度よりも低い場合には、切替弁を中部戻り配管に切り替えるとよい。

通常の動作においては、ヒートポンプで加熱された高温の湯水は貯湯槽の上部に戻される。しかし本発明の構成によれば、通常の加熱温度で加熱した場合に、貯湯槽の上部の温度がこれを上回っている可能性がある。このとき通常と同じように貯湯槽の上部に通常の加熱温度の湯を戻すと、せっかく通常以上の高温に加熱した湯と混合・撹拌してしまい、温度勾配が失われてしまう。そこで上記のように、貯湯槽の上部の方が温度が高い場合には中部に戻すことにより、貯湯槽内の温度分布が適切に維持され、効率的に熱を蓄えることができる。

貯湯槽を上部、中部、下部と三分割した場合に、貯湯槽の上部から出湯する上部出湯配管と、貯湯槽の中部から出湯する中部出湯配管と、貯湯槽の下部から出湯する下部出湯配管と、上部出湯配管と、中部出湯配管と、下部出湯配管と、給水配管からの湯水を混合して出湯温度を制御する出湯制御部とを備えるとよい。

上記のように、貯湯槽の上部、中部に加えて下部からも出湯できるように構成することにより、貯湯槽内に蓄えられた湯水を多く取り出すことができる。すなわち、出湯温度をまかなえる限りにおいて中部または下部からの出湯量を多くすることにより、貯湯槽内により多くの給水を導くことができるため、貯湯槽の下部の温度を低下させることができ、ヒートポンプのＣＯＰを向上させることができる。

蓄えるべき湯水の量を予測する目標貯湯量予測部をさらに備え、目標貯湯量予測部は、ある時刻からその日のうちに使いきれる湯水の量を第１目標貯湯量として予測し、さらにある時刻で最低限必要な貯湯量を第２目標貯湯量として予測し、貯湯量比較部は現在の貯湯量と第１目標貯湯量および第２目標貯湯量とを比較して、加熱制御部は、現在の貯湯量が第２目標貯湯量よりも少ない場合には余剰電力が存在しない場合であっても加熱を行い、かつ現在の貯湯量が第２目標貯湯量よりも多い場合であっても余剰電力が存在する場合には加熱を行い、温度決定部は、現在の貯湯量が第１目標貯湯量より多い場合の加熱温度を通常の加熱温度よりも高くしてもよい。

上記構成によれば、第２目標貯湯量に満たない場合は、通常の加熱温度にて湯水を加熱して速やかに第２目標貯湯量を満たす。また第１目標貯湯量以上の場合は、１日に使いきれる湯水の量を超えているため、高い加熱温度で湯水を加熱することで、適温以上を保てる時間を延長し、翌日の使用に備えることができる。

外部から貯湯すべき信号を受信する外部信号受信部を備え、加熱制御部は、外部信号受信部が信号を受信することにより、余剰電力が存在するものとみなして動作してもよい。

上記構成によれば、系統の周波数や電圧の変動が生じた場合に、外部から貯湯すべき信号を送信することで、系統全体での余剰電力を消費することが可能となる。そして、外部信号によって動作する場合にも、目標貯湯量を超えている場合には高い加熱温度で湯水を加熱することで、適温以上を保てる時間を延長し、翌日の使用に備えることができる。

本発明にかかる電力負荷制御方法の代表的な構成は、再生可能エネルギーを利用した発電装置の発電電力と、該発電装置が設置された施設の消費電力とを比較して余剰電力を取得し、現在の貯湯量と目標貯湯量とを比較し、余剰電力が存在する場合には、現在の貯湯量が目標貯湯量に達しているか否かにかかわらずヒートポンプを動作させ、かつ、現在の貯湯量が目標貯湯量より多い場合の加熱温度を、現在の貯湯量が目標貯湯量より少ない場合の通常の加熱温度よりも高くすることを特徴とする。

上述した電力負荷制御装置における技術的思想に対応する構成要素やその説明は、当該電力負荷制御方法にも適用可能である。

本発明によれば、再生可能エネルギーを利用した発電装置において、余剰電力が発生した際にヒートポンプ貯湯式給湯装置を適切に制御することで、系統への逆潮流を抑制し、余剰電力の有効消費が可能な電力負荷制御装置および電力負荷制御方法を提供することが可能である。

電力負荷制御装置の配置図である。 電力負荷制御装置の構成を説明するブロック図である。 目標貯湯量の予測値を示す図である。 動作を説明するフローチャートである。 目標貯湯量と加熱制御の関係を簡略に説明する模式図である。 貯湯槽の湯水の温度分布を示した模式図である。 貯湯槽の給湯および給水の流れを示す図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（電力負荷制御装置）
図１は電力負荷制御装置の配置図である。図１に示すように、住宅などの施設１００は、再生可能エネルギーを利用した発電装置２２０と、電力負荷制御装置の例としてのヒートポンプ貯湯式給湯装置（以下単に「給湯装置２４０」という。）を備える。

発電装置２２０は、再生可能エネルギーを利用した発電装置の例として、太陽光発電装置を図示している。ただし他の再生可能エネルギーであってもよく、例えば風力発電装置や水力発電装置、地熱発電装置などであってもよい。発電装置２２０で発電された電気は、交直変換装置（乃至はパワーコンディショナ）２３０によって系統に連系される。なお交直変換装置２３０は各種の安全装置や連系保護機能を備えている。

給湯装置２４０は、交直変換装置２３０から出力される電力と、系統の配電線１２０から供給される電力のいずれによっても動作可能なように電源供給される。一例として、夜間は系統電力によって動作させ、日中は発電装置２２０が発電した電力によって動作することができる。なお日中に商用電力によって動作させることも、もちろん可能である。給湯装置２４０は、湯水を加熱するヒートポンプ２５０と、ヒートポンプで加熱された湯水を蓄える貯湯部２６０とを備える。

図２は電力負荷制御装置の構成を説明するブロック図である。ヒートポンプ２５０は、圧縮器２５１と、凝縮器２５２と、膨張弁２５３と、蒸発器２５４と、空冷ファン２５５とを備える。本実施形態においてヒートポンプ２５０は、自然冷媒であるＣＯ_２を熱媒体として循環させている。

ここで簡単にヒートポンプの原理について説明する。低温低圧二相流体の熱媒体は蒸発器２５４において大気熱を吸収して気化し、低温低圧気体となる。これを圧縮器２５１で圧縮し、高温高圧気体とする。高温高圧気体の熱媒体は凝縮器２５２にて湯水と熱交換し、凝縮（液化）して低温高圧気体となる。そして膨張弁２５３で圧力を下げられて低温低圧二相流体となり、蒸発器２５４において大気熱を吸収して低温低圧気体となる。このサイクルを繰り返し行うことで湯水を加熱する。

貯湯部２６０は、制御系統３００と、貯湯槽２６２を備えている。貯湯槽２６２の下部には給水配管２６４が接続され、新しい水が供給される。また貯湯槽２６２の下部には低温域の水を凝縮器２５２に供給する加熱配管２６６が接続される。

また貯湯槽２６２には、貯湯槽２６２を上部、中部、下部と三分割した場合に、ヒートポンプ２５０から貯湯槽２６２の上部に接続された上部戻り配管２７０と、ヒートポンプ２５０から貯湯槽２６２の中部に接続された中部戻り配管２７２と、ヒートポンプ２５０から上部戻り配管２７０または中部戻り配管２７２に切り替える切替弁２６８とが接続されている。

さらに貯湯槽２６２には、貯湯槽２６２の上部から出湯する上部出湯配管２７４と、貯湯槽２６２の中部から出湯する中部出湯配管２７６と、貯湯槽２６２の下部から出湯する下部出湯配管２７８とを備えている。そして出湯制御部２８０は、これらの上部出湯配管２７４、中部出湯配管２７６、下部出湯配管２７８と、給水配管２６４からの湯水を混合して、適切な温度の湯水を出湯配管２８２から供給する。

制御系統３００は給湯装置２４０の全体の動作を制御する回路である。制御系統３００には、貯湯量比較部３０２、温度決定部３０４、加熱制御部３０６、余剰電力取得部３０８、温度検知部３１０、目標貯湯量予測部３１２、外部信号受信部２９０が備えられている。

貯湯量比較部３０２は、貯湯槽２６２に貯湯された現在の貯湯量と目標貯湯量とを比較する。比較した結果の信号は、加熱制御部３０６へと送信する。もしくは、加熱制御部３０６からの要求に応答して比較を行い、結果の信号を戻すよう構成してもよい。

温度決定部３０４は、ヒートポンプ２５０による湯水の加熱温度を決定する。通常動作（従来からある動作）としては、レジオネラ菌などの雑菌の繁殖を防止するために、６５℃を目安として加熱温度を決定する。さらに本実施形態においては、後述するように状況に応じてさらに高温の加熱温度を決定する。

加熱制御部３０６は、ヒートポンプ２５０を温度決定部が決定した加熱温度となるように動作させる。加熱温度は、熱媒体の圧力を高める（圧縮器２５１のデューティを大きくする）ことによって調節することができる。そして通常動作として、貯湯量比較部３０２から現在の貯湯量が目標貯湯量よりも少ないとの信号を受けた場合には、目標貯湯量に達するまで追い焚きを行う。さらに本実施形態においては、後述するように状況に応じて目標貯湯量に達していてもさらに追い焚きを行う。

余剰電力取得部３０８は、発電装置２２０の発電電力と、発電装置２２０が設置された施設１００の消費電力とを比較して、余剰電力を取得する。簡単な構成例としては、配電線１２０から施設１００へと流れる電力を計測する第１の電流計と、交直変換装置２３０から配電線１２０へと流れる電力を計測する第２の電流計を設置し、これらの値を比較して余剰電力が発生しているか否かを取得することができる。

温度検知部３１０は、貯湯槽２６２の湯水の温度を計測する。温度検知部３１０は貯湯槽２６２の上下方向に複数配置されており、貯湯槽２６２内の温度分布を測定することにより、どの程度の熱量が貯湯槽内に溜められているかどうかを検知するために利用される。なお本実施形態においては、少なくとも貯湯槽２６２の上部の温度を検知すればよい。

目標貯湯量予測部３１２は、貯湯槽内にどのくらいの熱量が蓄えられている必要があるかを予測する。目標貯湯量は常に一定の値であってもよいが、生活状況から時間帯に応じてお湯をよく使う時間帯とあまり使わない時間が発生するものである。一方、貯湯槽２６２は高度な断熱処理がなされてはいるが、やはり徐々に温度が低下してしまう。そこで通常の動作としては、なるべく貯湯槽２６２内には最小限の熱量を蓄積しておくことが好ましい。また一般家庭に設置する場合には貯湯槽２６２の大きさ（容量）も限られてしまう。そのため、通常動作としては、夜間電力を用いて翌日使用する分の熱量を蓄えると共に、夕方の食事時や風呂、シャワーなどの使用に備えて追い焚きを行うように運用される場合が多い。目標貯湯量予測部３１２は、直近の数日間の使用量や季節、気温、一般値などを使用して、翌日使用分や時間帯ごとの目標貯湯量を算出する。

ここで、本実施形態において目標貯湯量予測部３１２は、目標貯湯量として、第１目標貯湯量と第２目標貯湯量の２つを予測する。図３は目標貯湯量の予測値を示す図である。

図３において、第２目標貯湯量は従来から使用されている目標貯湯量であって、時間帯に応じてその直後に使用されると考えられる最低限の熱量を目標としている。これに対し第１目標貯湯量は、ある時刻からその１日の間に使いきれる湯水の量を予測した量である。

外部信号受信部２９０は、外部から貯湯すべき旨の外部信号を受信する。外部とは、例えば系統電力を制御する制御センターである。信号の伝達のためには、専用の通信線１３０を整備してもよいが、電話線や電力線通信、ＦＭ放送や携帯電話網などを利用した無線通信などいかなるインフラも利用することができる。

そして加熱制御部３０６は、現在の貯湯量が第２目標貯湯量よりも多い場合であっても、余剰電力取得部３０８の測定により余剰電力が存在する場合には、ヒートポンプ２５０を動作させる。これにより、余剰電力を消費し、系統に余剰電力が逆潮流することを抑制することができる。

（電力負荷制御）
上記構成の給湯装置２４０の動作について説明する。図４は動作を説明するフローチャートである。

まず、貯湯量比較部３０２によって、現在の貯湯量と第２目標貯湯量とを比較する（Ｓ４０２のＹ）。加熱制御部３０６は、現在の貯湯量が第２目標貯湯量よりも少ない場合には、これに到達するまでヒートポンプ２５０を動作させて加熱を行う（Ｓ４０４）。これは従来からの動作と同じであって、この場合において余剰電力を判断する必要はない。またこのときの通常の加熱温度は、上述したように６５℃付近とすることができる。

現在の貯湯量が第２目標貯湯量以上である場合（Ｓ４０２のＮ）には、余剰電力取得部３０８によって余剰電力の値を取得する（Ｓ４０６）。余剰電力が存在しない場合には（Ｓ４０８のＮ）、なにもせずにループ処理の冒頭に戻る。

余剰電力が存在する場合には（Ｓ４０８のＹ）、さらに貯湯量比較部３０２によって、現在の貯湯量と第１目標貯湯量とを比較する（Ｓ４１０）。現在の貯湯量が第１目標貯湯量以下であった場合には（Ｓ４１０のＹ）、温度決定部３０４は加熱温度を通常の加熱温度に決定する（Ｓ４１２）。一方、現在の貯湯量が第１目標貯湯量より多かった場合には（Ｓ４１０のＮ）、温度決定部３０４は加熱温度を通常の加熱温度より高い温度に決定する（Ｓ４１４）。そして加熱制御部３０６は、温度決定部３０４が決定した加熱温度に湯水を加熱するようにヒートポンプ２５０を動作させる（Ｓ４１６）。

図５は目標貯湯量と加熱制御の関係を簡略に説明する模式図である。現在の貯湯量が第２目標貯湯量以下である場合には、余剰電力の有無にかかわらず、通常の加熱温度で加熱する。余剰電力がある場合には現在の貯湯量にかかわらず加熱制御を行うが、第１目標貯湯量より少ない場合には通常の加熱温度で加熱を行い、第１目標貯湯量より多い場合には通常よりも高い温度で加熱を行う。

ここで温度決定部３０４は、現在の貯湯量が第１目標貯湯量より多い場合は、余剰電力の量に応じて加熱温度を決定する。常にそのヒートポンプ２５０における最大の加熱温度で動作させてしまうと、貯湯槽２６２内の温度が高くなりすぎてしまうおそれがある。貯湯槽２６２内の温度が高くなると貯湯槽２６２下部の低温域の温度も上昇してしまい、ここから取水するヒートポンプ２５０のＣＯＰが低下する。そこで上記のように、余剰電力の量に応じて加熱温度を決定することにより、貯湯槽２６２内の必要以上の温度上昇を抑えつつ、適切に余剰電力を吸収することができる。

（貯湯槽内部の温度分布）
図６は貯湯槽の湯水の温度分布を示した模式図である。図６（ａ）は、給湯装置２４０の通常動作であって、系統の夜間電力を利用した蓄熱が完了した後の貯湯槽２６２の湯水の温度分布である。図６（ａ）に示すように、貯湯槽２６２のほとんどが、一般的に利用しやすい温水（６５℃前後）で満たされている。残りは、中程度の温度の湯水（６０℃〜２０℃）である。以降便宜的に中程度の温度の湯水を境界層温度の湯水と称する。

図６（ｂ）は、昼間にヒートポンプが動作していない時点での貯湯槽２６２の湯水の温度分布である。図６（ｂ）に示すように、徐々に貯湯槽２６２内の湯水が消費され給水が補給される。したがって貯湯槽２６２の内部は、温水、境界層温度の湯水、低温水（２０℃以下）の３層に分離される。

この状態で、余剰電力が発生し、湯水を加熱する場合には、貯湯槽２６２には十分な量の湯水が貯湯されているとすると、上述のように通常の加熱温度より高い加熱温度で湯水を加熱することとなる。この場合は、切替弁２６８を切り替え、上部戻り配管２７０を通じて、ヒートポンプ２５０から貯湯槽２６２へ貯湯する。すると貯湯槽内の湯水の温度分布は、図６（ｃ）に示すように、高温水（７５℃以上）、温水、境界層温度の湯水、低温水の４層となる。余剰電力が多ければ、高温水の割合が増加する。

ここで、このように貯湯槽の湯水が４層の温度分布である状況（貯湯槽２６２の上部に高温の湯水が貯められている状況）で、通常の加熱温度での加熱制御を行う場合には、温水（６５℃前後）を中部戻り配管２７２を通じて貯湯槽の中部に戻すことが好ましい。具体的には、加熱制御をする際にまず温度検知部３１０によって貯湯槽２６２上部の温度を検知する。そして貯湯槽２６２の上部の温度が通常の加熱温度よりも高い場合、切替弁２６８を中部戻り配管２７２に切り替え、ヒートポンプ２５０から貯湯槽２６２の中部へ貯湯する。このようにすることで、高温水と温水が混合・撹拌することがないため、温度勾配が失われない。したがって貯湯槽２６２内の温度分布が適切に維持され、効率的に熱を蓄えることができる。

貯湯槽２６２内の温度分布が４層に維持された状態で時間が経過すると、徐々に高温水も温度低下する。しかしこの場合においても、図６（ｄ）に示すように高い温度勾配を有しており、貯湯槽２６２の下部には低温水が残っている。したがって夜間蓄熱開始時にもＣＯＰが低下することなく、効率のよい動作を行うことができる。

上述のように、貯湯量と余剰電力の量から、適切な湯水の加熱温度を設定することで、余剰電力を有効に消費することができる。

（給湯および給水）
次に図７を用いて、貯湯槽２６２の給湯および給水の流れを説明する。従来からもヒートポンプ式給湯器では、貯湯槽２６２の上部から取り出した高温の湯と給水とを混合したり、中部から取り出した中温の湯を直接出湯したり、または中温の湯や高温の湯と給水とを混合して適温の湯水を生成したりすることにより、熱の効率化を図ることが行われている。

本実施形態における給湯装置２４０では、貯湯槽２６２内の温度が従来の貯湯槽２６２よりも上昇する可能性がある。すると貯湯槽２６２の上部の高温水および中部の温水の温度が高くなるために、従来と同じ温度の湯を出湯する場合を考えると、貯湯槽２６２から出て行く湯の量が少なくなる。

一方、上述のように、ヒートポンプ２５０に対する入水温度が上昇するとＣＯＰの低下を招いてしまう。ここで入水温度を低下させるためには低温の給水が貯湯槽２６２内に入ってくる必要がある。しかし貯湯槽２６２から出て行く湯の量が少なくなっているために、新しく入ってくる給水の量も少ないため、下部の低温水の温度まで温度上昇していってしまうおそれがある。

そこで図７に示すように、貯湯槽２６２の中部出湯配管２７６と、下部出湯配管２７８とを利用して、出湯制御部２８０が中部に加えて下部からも出湯するように制御することにより、貯湯槽２６２内に蓄えられた湯水を多く取り出すことができる。すなわち、出湯温度をまかなえる限りにおいて中部または下部からの出湯量を多くすることにより、給水配管２６４から貯湯槽２６２内により多くの給水を導くことができるため、ヒートポンプのＣＯＰを向上させることができる。

（外部制御）
上記説明においては、ある施設１００においての余剰電力をその施設で処理する構成について説明した。しかし現実には状況が様々であって、発電装置２２０の定格容量も様々であれば、貯湯槽２６２の大きさも様々である。したがって、ある施設１００において発生した余剰電力を必ずしもその施設で解消できるとは限らない。

そこで系統電力を制御する制御センターは、余剰電力が系統に許容量以上に逆潮流する可能性を察知した場合に、各施設１００に対して、貯湯すべき信号を発信する。各施設１００の給湯装置２４０は、外部信号受信部２９０によって上記の外部信号を受信すると、余剰電力が存在するものとみなして動作する。

すなわち、加熱制御部３０６は、外部信号受信部２９０が外部信号を受信したことを検知すると、現在の貯湯量にかかわらず加熱制御を開始する。その際に温度決定部３０４は、第１目標貯湯量以下であれば通常の加熱温度と決定し、第１目標貯湯量より多ければ通常より高い加熱温度と決定する。

なお外部信号としては、加熱制御をするか否かのＯＮ／ＯＦＦ信号であってもよく、どの程度の量を貯湯するかを湯量で指定するデータであってもよく、またはその貯湯槽２６２に貯める湯の割合を指定するデータであってもよい。また、動作時間や対象地域など、その他の条件を外部信号に含ませてもよい。

このように、外部から受ける信号に応じて加熱制御を行うことにより、系統全体で余剰電力を消費することが可能となる。これにより、系統の安定した運用を図ることが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態においては目標貯湯量を第１目標貯湯量と第２目標貯湯量の２段階として説明した。しかし本発明はこれに限定するものではなく、１つの目標貯湯量（例えば第２目標貯湯量）を設定し、これより現在の貯湯量が多い場合には高い加熱温度で加熱するように制御してもよい。ただし、高温で加熱するとＣＯＰが低下する傾向にあるため、その１日のうちに消費できる限りにおいては、できるだけ通常の加熱温度を用いることが好ましい。したがって上記のように２段階の目標貯湯量を設定することにより、高いＣＯＰの維持と余剰電力の有効消費の両立を図ることができる。

本発明は、再生可能エネルギーを利用した発電装置の余剰電力を制御する電力負荷制御装置およびその方法に利用することができる。

１００…施設、１２０…配電線、１３０…通信線、２２０…発電装置、２３０…交直変換装置、２４０…給湯装置、２５０…ヒートポンプ、２５１…圧縮器、２５２…凝縮器、２５３…膨張弁、２５４…蒸発器、２５５…空冷ファン、２６０…貯湯部、２６２…貯湯槽、２６４…給水配管、２６６…加熱配管、２６８…切替弁、２７０…上部戻り配管、２７２…中部戻り配管、２７４…上部出湯配管、２７６…中部出湯配管、２７８…下部出湯配管、２８０…出湯制御部、２８２…出湯配管、２９０…外部信号受信部、３００…制御系統、３０２…貯湯量比較部、３０４…温度決定部、３０６…加熱制御部、３０８…余剰電力取得部、３１０…温度検知部、３１２…目標貯湯量予測部

Claims (7)

1. 再生可能エネルギーを利用した発電装置と、
   湯水を加熱するヒートポンプと、
   前記ヒートポンプで加熱された湯水を蓄える貯湯槽と、
   現在の貯湯量と目標貯湯量とを比較する貯湯量比較部と、
   前記ヒートポンプによる湯水の加熱温度を決定する温度決定部と、
   前記ヒートポンプを前記温度決定部が決定した加熱温度となるように動作させる加熱制御部と、
   前記発電装置の発電電力と該発電装置が設置された施設の消費電力とを比較して余剰電力を取得する余剰電力取得部と、
   を備え、
   前記加熱制御部は、余剰電力が存在する場合には、現在の貯湯量が目標貯湯量に達しているか否かにかかわらず前記ヒートポンプを動作させ、かつ、
   前記温度決定部は、現在の貯湯量が目標貯湯量より多い場合の加熱温度を、現在の貯湯量が目標貯湯量より少ない場合の通常の加熱温度よりも高くすることを特徴とする電力負荷制御装置。
2. 前記温度決定部は、前記余剰電力取得部が取得した余剰電力の量に応じて加熱温度を決定することを特徴とする請求項１に記載の電力負荷制御装置。
3. 前記貯湯槽を上部、中部、下部と三分割した場合に、
   前記ヒートポンプから前記貯湯槽の上部に接続された上部戻り配管と、
   前記ヒートポンプから前記貯湯槽の中部に接続された中部戻り配管と、
   前記ヒートポンプから前記上部戻り配管または中部戻り配管に切り替える切替弁と、
   少なくとも前記貯湯槽の上部の温度を検知する温度検知部とを備え、
   前記加熱制御部は、
   前記ヒートポンプにおける加熱温度が前記貯湯槽の上部の温度よりも低い場合には、前記切替弁を前記中部戻り配管に切り替えることを特徴とする請求項１に記載の電力負荷制御装置。
4. 前記貯湯槽を上部、中部、下部と三分割した場合に、
   前記貯湯槽の上部から出湯する上部出湯配管と、
   前記貯湯槽の中部から出湯する中部出湯配管と、
   前記貯湯槽の下部から出湯する下部出湯配管と、
   前記上部出湯配管と、前記中部出湯配管と、前記下部出湯配管と、給水配管からの湯水を混合して出湯温度を制御する出湯制御部とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力負荷制御装置。
5. 蓄えるべき湯水の量を予測する目標貯湯量予測部をさらに備え、
   目標貯湯量予測部は、ある時刻からその日のうちに使いきれる湯水の量を第１目標貯湯量として予測し、さらにある時刻で最低限必要な貯湯量を第２目標貯湯量として予測し、
   前記貯湯量比較部は現在の貯湯量と前記第１および第２目標貯湯量とを比較して、
   前記加熱制御部は、現在の貯湯量が前記第２目標貯湯量よりも少ない場合には余剰電力が存在しない場合であっても加熱を行い、かつ現在の貯湯量が前記第２目標貯湯量よりも多い場合であっても余剰電力が存在する場合には加熱を行い、
   前記温度決定部は、現在の貯湯量が前記第１目標貯湯量より多い場合の加熱温度を、現在の貯湯量が前記第１目標よりも少ない場合の通常の加熱温度よりも高くすることを特徴とする請求項１に記載の電力負荷制御装置。
6. 外部から貯湯すべき信号を受信する外部信号受信部を備え、
   前記加熱制御部は、前記外部信号受信部が信号を受信することにより、余剰電力が存在するものとみなして動作することを特徴とする請求項１に記載の電力負荷制御装置。
7. 再生可能エネルギーを利用した発電装置の発電電力と、該発電装置が設置された施設の消費電力とを比較して余剰電力を取得し、
   現在の貯湯量と目標貯湯量とを比較し、
   前記余剰電力が存在する場合には、現在の貯湯量が目標貯湯量に達しているか否かにかかわらず前記ヒートポンプを動作させ、かつ、現在の貯湯量が目標貯湯量より多い場合の加熱温度を、現在の貯湯量が目標貯湯量より少ない場合の通常の加熱温度よりも高くすることを特徴とする電力負荷制御方法。

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