JP2017220354A - 運転計画装置、燃料電池装置、運転計画方法及び運転計画プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】熱需要を満たした上で、エネルギーコストの削減効率を向上させることができる運転計画装置、燃料電池装置、運転計画方法及び運転計画プログラムを提供することである。【解決手段】実施形態の運転計画装置は、予測部と、計画部とを持つ。予測部は、熱需要を予測する。計画部は、燃料電池によって削減されるエネルギーコストを表す評価値を第１期間内の所定の時間帯ごとに熱需要に基づいて決定し、第１期間における熱需要を満たす蓄積量である目標蓄熱量と評価値とに基づいて燃料電池の運転計画を所定の時間帯ごとに作成する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、運転計画装置、燃料電池装置、運転計画方法及び運転計画プログラムに関する。

燃料電池装置は、需要家の電力需要を賄うために、都市ガスなどの燃料を用いて発電した電力を電力負荷に供給する。燃料電池装置は、需要家の熱需要を賄うために、発電による熱エネルギーを給湯負荷に供給する。しかしながら、運転計画装置は、燃料電池装置を有する需要家における熱需要を満たした上で、エネルギーコストの削減効率を向上させることができない場合があった。

特開２０１０−６７５１２号公報 特開２０１４−９６８６６号公報

本発明が解決しようとする課題は、熱需要を満たした上で、エネルギーコストの削減効率を向上させることができる運転計画装置、燃料電池装置、運転計画方法及び運転計画プログラムを提供することである。

実施形態の運転計画装置は、予測部と、計画部とを持つ。予測部は、熱需要を予測する。計画部は、燃料電池によって削減されるエネルギーコストを表す評価値を第１期間内の所定の時間帯ごとに熱需要に基づいて決定し、第１期間における熱需要を満たす蓄積量である目標蓄熱量と評価値とに基づいて燃料電池の運転計画を所定の時間帯ごとに作成する。

第１実施形態における、電力システムの構成の例を示す図。 第１実施形態における、電力システムの動作の例を示す図。 第１実施形態における、運転計画部の動作の例を示す図。 第１実施形態における、運転計画部の動作の例を示すフローチャート。 第１実施形態における、現在蓄熱量の例を示す図。 第２実施形態における、運転計画部の動作の例を示すフローチャート。 第３実施形態における、発電コストの例を示す図。 第３実施形態における、運転計画部の動作の例を示すフローチャート。

以下、実施形態の運転計画装置、燃料電池装置、運転計画方法及び運転計画プログラムを、図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は、電力システム１の構成の例を示す図である。電力システム１は、電力を発電するためのシステムである。電力システム１は、系統電力部２と、電力負荷３と、給湯負荷４と、燃料電池装置５とを備える。電力システム１は、太陽光発電装置６及び蓄電装置７の少なくとも一方を更に備えてもよい。

系統電力部２は、電力負荷３に電力を供給する発電装置である。系統電力部２は、蓄電装置７に電力を供給してもよい。系統電力部２は、例えば、電力事業者によって管理される。

電力負荷３は、電力を消費する機器である。電力負荷３は、例えば、系統電力部２から供給された電力を消費する。電力負荷３は、燃料電池装置５から供給された電力を消費してもよい。電力負荷３は、太陽光発電装置６から供給された電力を消費してもよい。電力負荷３は、蓄電装置７から供給された電力を消費してもよい。電力需要測定装置は、電力負荷３の電力需要を表す測定値を、燃料電池装置５に送信する。

給湯負荷４は、需要家における熱需要に応じて、熱エネルギーを消費する。熱エネルギーは、湯などの熱媒体を用いて供給される。すなわち、給湯負荷４は、燃料電池装置５から供給された湯の熱エネルギーを消費する。熱需要測定装置は、給湯負荷４の熱需要の測定値を、燃料電池装置５に送信する。

燃料電池装置５（Fuel cell apparatus）は、電気化学反応によって発電する装置である。燃料電池装置５は、需要家によって管理される。燃料電池装置５は、例えば、需要家の敷地に備えられる。燃料電池装置５は、発電電力を電力負荷３に供給する。燃料電池装置５は、発電電力を蓄電装置７に供給してもよい。

太陽光発電装置６（Photovoltaics power generator）は、太陽光を用いて発電した電力を、電力負荷３に供給する。太陽光発電装置６は、太陽光を用いて発電した電力を、蓄電装置７に供給してもよい。太陽光発電装置６の発電電力は、系統電力部２に売電されてもよい。

蓄電装置７は、系統電力部２から供給された電力を蓄積する。蓄電装置７は、燃料電池装置５から供給された電力を蓄積してもよい。蓄電装置７は、太陽光発電装置６から供給された電力を蓄積してもよい。蓄電装置７は、蓄積した電力を電力負荷３に供給する。蓄電装置７は、例えば、蓄電池である。蓄電装置７は、例えば、宅内の機器に充電又は放電するための電気自動車（EV: Electric Vehicle）充電システムでもよい。

次に、燃料電池装置５の構成を説明する。
燃料電池装置５は、情報取得部５０と、運転計画部５１と、制御部５２と、燃料電池部５３（Fuel Cell）と、熱交換部５４と、貯湯槽５５とを備える。情報取得部５０と運転計画部５１と制御部５２とのうち一部又は全部は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサが、記憶部に記憶されたプログラムを実行することにより機能するソフトウェア機能部である。情報取得部５０と運転計画部５１と制御部５２とのうち一部又は全部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等のハードウェア機能部であってもよい。

情報取得部５０と運転計画部５１と制御部５２とは、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）などの不揮発性の記憶媒体（非一時的な記録媒体）を有する。運転計画部５１の記憶部は、例えば、履歴データベースを記憶する。情報取得部５０と運転計画部５１と制御部５２とは、例えば、ＲＡＭやレジスタなどの揮発性の記憶媒体を有していてもよい。

情報取得部５０は、各種情報を外部サーバから取得する。情報取得部５０は、各種情報を燃料電池装置５のインタフェース端末から取得してもよい。各種情報は、例えば、電気料金単価情報、熱需要情報、電力需要情報、気象情報である。情報取得部５０は、料金情報取得部５００と、気象情報取得部５０１と、需要情報取得部５０２とを備える。

料金情報取得部５００は、時間帯に対応付けられた電気料金単価情報を取得する。電気料金は、予め定められた予測対象日において変動してもよい。電気料金単価情報は、デマンドレスポンス信号に対応付けられた電気料金単価情報でもよい。電気料金単価は、リアルタイムプライシングに基づいて更新された電気料金単価でもよい。料金情報取得部５００は、時間帯に対応付けられたガス料金単価を取得する。料金情報取得部５００は、時間帯に対応付けられた売電単価を取得する。売電単価は、例えば、太陽光発電装置６の発電電力の売電単価である。気象情報取得部５０１は、天気予報などの気象情報を、定期的に外部サーバから取得する。

需要情報取得部５０２は、給湯負荷４の熱需要の測定値を、所定時間間隔で取得する。所定時間間隔は、例えば、１時間である。需要情報取得部５０２は、給湯負荷４の熱需要の測定値を、時刻に対応付けて履歴データベースに登録する。需要情報取得部５０２は、燃料電池部５３の燃料購入量、燃料電池部５３の発電電力、貯湯槽５５の蓄熱量を、時刻に対応付けて履歴データベースに登録してもよい。履歴データベースは、運転計画部５１の記憶部に記憶されている。需要情報取得部５０２は、太陽光発電装置６の発電電力の測定値を取得してもよい。

運転計画部５１（運転計画装置）は、燃料電池部５３の運転計画を、所定周期で作成する。運転計画は、例えば、未来における予測対象日について、燃料電池部５３の起動又は停止の時刻を表す。運転計画は、例えば、未来における予測対象日について、燃料電池部５３の発電電力（出力）の値を時刻ごとに表す。所定周期は、例えば、３０分周期である。燃料電池部５３の発電電力値は、燃料電池部５３の最低出力値と定格出力値との間の値である。

運転計画部５１は、予測部５１０と、計画部５１１と、記憶部５１２とを備える。予測部５１０は、給湯負荷４の熱需要の測定値を、需要情報取得部５０２から取得する。予測部５１０は、給湯負荷４の熱需要の測定値を、時刻に対応付けて記憶部５１２に記憶させる。すなわち、予測部５１０は、給湯負荷４の熱需要の測定値を履歴データベースに登録することによって、履歴データベースを更新する。予測部５１０は、気象情報を履歴データベースに登録することによって、履歴データベースを更新してもよい。

予測部５１０は、過去の所定時間における給湯負荷４の熱需要の測定値を、記憶部５１２の履歴データベースから取得する。過去の所定時間は、例えば、現在時刻から過去の１週間である。予測部５１０は、給湯負荷４の熱需要の測定値に基づいて、未来における予測対象日について給湯負荷４の熱需要を時間帯ごとに予測する。予測部５１０は、例えば、１時間ごとの給湯負荷４の熱需要を予測してもよい。予測部５１０は、例えば、過去の１週間について、給湯負荷４の熱需要の平均値を１時間単位で算出する。予測部５１０は、例えば、１時間単位で算出された熱需要の平均値を、１時間ごとの給湯負荷４の熱需要の予測値と定める。

予測部５１０は、未来における予測対象日の２４時間について、過去の所定時間における電力負荷３の電力需要を表す測定値に基づいて電力負荷３の電力需要を時間帯ごとに予測する。予測部５１０は、未来における予測対象日について、過去の所定時間における太陽光発電装置６の発電電力の測定値に基づいて太陽光発電装置６の発電電力を時間帯ごとに予測する。予測部５１０は、過去の所定時間における給湯負荷４の熱需要の測定値に基づいて、太陽光発電装置６又は燃料電池部５３の発電電力が電力需要に対して余剰となる時間帯を予測する。発電電力が余剰となると予想された時間帯は、例えば、開始時刻及び終了時刻を用いて表現される。

以下、Ｎは、時間長を表す。Ｎは、例えば、１以上２４以下の整数である。以下、Ｎは一例として１０である。予測部５１０は、例えば、現在時刻からＮ時間後の時刻における貯湯槽５５の蓄熱量の予測値を定める。ｎは、１以上Ｎ以下の整数である。以下、ｎは、一例として８である。予測部５１０は、例えば、現在時刻からｎ時間後の時刻における貯湯槽５５の蓄熱量の予測値を定める。

計画部５１１は、電気料金単価情報を料金情報取得部５００から取得する。計画部５１１は、ガス料金単価情報（燃料料金単価情報）を、料金情報取得部５００から取得する。計画部５１１は、売電単価情報を取得してもよい。計画部５１１は、気象情報を気象情報取得部５０１から取得する。計画部５１１は、１時間ごとの給湯負荷４の熱需要の予測値を、予測部５１０から取得する。

計画部５１１は、１時間ごとの給湯負荷４の熱需要の予測値に基づいて、貯湯槽５５の蓄熱量の目標値（以下、「目標蓄熱量」という。）（第１の目標蓄熱量）を決定する。計画部５１１は、現在時刻からＮ時間後まで（第１期間）の給湯負荷４の熱需要の測定値を合計する。計画部５１１は、現在時刻からＮ時間後までの給湯負荷４の熱需要の測定値の合計結果を、目標蓄熱量と定める。

計画部５１１は、運転計画を作成する対象日における熱需要と対象日よりも前における熱需要との差に基づいて、第１期間の時間長を決定する。例えば、計画部５１１は、運転計画を作成する対象日における熱需要と対象日の前日における熱需要との差が閾値以上である場合、第１期間を一定期間（初期値）よりも短くする。

計画部５１１は、第１期間において熱需要が満たされている場合、燃料電池の発電電力の余剰分を蓄電装置７に蓄電させる。計画部５１１は、第１期間において熱需要が満たされている場合、太陽光発電電力の余剰分を蓄電装置７に蓄電させる。

計画部５１１は、現在時刻における貯湯槽５５の蓄熱量（以下、「現在蓄熱量」という。）と目標蓄熱量との差を算出する。以下、現在蓄熱量と目標蓄熱量との差を「蓄熱量差」という。計画部５１１は、蓄熱量差ΔＱの熱量をｎ時間で貯湯槽５５に回収するように、運転計画を所定周期で作成する。

計画部５１１は、蓄熱量差ΔＱに基づいて、停止中の燃料電池部５３を起動させるか否かを判定する。計画部５１１は、蓄熱量差ΔＱに基づいて、起動中の燃料電池部５３を停止させるか否かを判定する。

燃料電池部５３は、１日のうち最初の正時（熱需要の少ない時間帯の前）の時点で貯湯槽５５の熱量が満蓄になっている場合には、発電を続けても熱電併給（コージェネレーション）のメリットを活かすことができない。燃料電池部５３は、熱電併給のメリットを活かすことができない場合、熱需要を満たした上で、エネルギーコストの削減効率を向上させることができない。そこで、起動中の燃料電池部５３を停止させるための条件は、例えば、１日のうち最初の正時の時点で貯湯槽５５の熱量が満蓄になっているという条件である。１日のうち最初の正時とは、午前０時でもよいし、午前１時でもよい。停止中の燃料電池部５３を起動させるための条件は、例えば、現在蓄熱量が目標蓄熱量未満であるという条件である。計画部５１１は、これらの条件を判定することによって、熱需要に対して十分な熱量を給湯負荷４に供給することができる。

計画部５１１は、燃料電池部５３が起動中（発電中）である場合、蓄熱量差ΔＱを算出する。計画部５１１は、蓄熱量差ΔＱの熱量をｎ時間（８時間）で貯湯槽５５に蓄熱させる運転計画を、所定周期で作成する。以下、燃料電池部が発電及び蓄熱しない場合と比較して燃料電池部が発電及び蓄熱した場合に削減されるエネルギーコストを表す評価値を、「発電メリット値」という。

計画部５１１は、発電メリット値を算出する。計画部５１１は、発電メリット値が高い時間帯において燃料電池部５３の発電電力が高くなるように、熱需要を満たす運転計画を作成する。すなわち、計画部５１１は、発電メリット値が低い時間帯において燃料電池部５３の発電電力が低くなるように、熱需要を満たす運転計画を作成する。電力需要に対して太陽光発電電力が余剰となっている場合、時刻ｔにおける発電メリット値は、式（１）のように表される。

発電メリット値（ｔ）
＝ＰＶ売電単価（ｔ）
＋ガス料金単価（ｔ）／ボイラ効率
−ガス料金単価（ｔ）／発電効率（Ｐ（ｔ）） …（１）

発電メリット値（ｔ）の単位は、（円／ｋＷｈ）である。したがって、燃料電池部５３は、評価値である発電メリット値の値が大きいほど、小さいコストで発電することができる。ＰＶ売電単価（ｔ）は、太陽光発電装置６の発電電力の売電単価（売電価格）である。ガス料金単価（ｔ）は、燃料電池部５３が取得した燃料（ガス）の単価である。（ガス料金単価（ｔ）／ボイラ効率）の単位は、補助ボイラの排熱量を電力量（ｋＷｈ）に換算した結果に基づいて表現される。ボイラ効率は、燃料電池部５３に関する第１の効率である。Ｐ（ｔ）は、時刻ｔにおける燃料電池部５３の発電電力（運転計画）を表す。Ｐ（ｔ）の単位は（ｋＷ）である。発電効率（Ｐ（ｔ））は、時刻ｔにおける燃料電池部５３の発電効率を表す。燃料電池部５３の発電効率は、燃料電池部５３に関する第２の効率である。計画部５１１は、燃料電池部５３の燃料購入量と燃料電池部５３の燃料料金と燃料電池部５３の発電電力とに基づいて、燃料電池部５３に関する効率を決定してもよい。

電力需要に対して太陽光発電電力が余剰となっていない場合、時刻ｔにおける発電メリット値は、式（２）のように表される。したがって、電力システム１が太陽光発電装置６を備えない場合、時刻ｔにおける発電メリット値は、式（２）のように表される。

発電メリット値（ｔ）
＝電気料金単価（ｔ）
＋ガス料金単価（ｔ）／ボイラ効率
−ガス料金単価（ｔ）／発電効率（Ｐ（ｔ）） …（２）

計画部５１１は、現在時刻ｔ０からｎ時間（８時間）後までの発電メリット値の合計値Ｍを算出する。合計値Ｍは、式（３）のように表される。

Ｍ＝Σ_{ｔ＝０．．８}｛発電メリット値（ｔ）｝ …（３）

計画部５１１は、現在時刻（ｔ０）からｎ時間（８時間）後までの１時間ごとの発電メリット値を合計値Ｍで除算した結果を、重み値Ｗ（ｔ）と定める。重み値Ｗ（ｔ）は、式（４）のように表される。なお、計画部５１１は、発電メリット値が負値となった場合、発電メリット値を０として扱う。

Ｗ（ｔ）＝発電メリット値（ｔ）／Ｍ …（４）

燃料電池部５３が一定発電電力Ｐ_{ｃｏｎｓｔ}（ｋＷ）でｎ時間にわたり発電する場合、式（５）が成り立つ。

Ｐ_{ｃｏｎｓｔ}＝発電効率（Ｐ_{ｃｏｎｓｔ}）×ΔＱ（Ｐ_{ｃｏｎｓｔ}）／排熱回収効率（Ｐ_{ｃｏｎｓｔ}） …（５）

発電効率（Ｐ_{ｃｏｎｓｔ}）は、燃料電池部５３の発電効率である。排熱回収効率（Ｐ_{ｃｏｎｓｔ}）は、燃料電池部５３の補助ボイラなどの排熱回収効率である。発電効率（Ｐ_{ｃｏｎｓｔ}）及び排熱回収効率（Ｐ_{ｃｏｎｓｔ}）は、燃料電池部５３について予め定められた関数である。発電効率（Ｐ_{ｃｏｎｓｔ}）は、発電電力ごとに定められた異なる発電効率の補間値でもよい。排熱回収効率（Ｐ_{ｃｏｎｓｔ}）は、発電電力ごとに定められた異なる排熱回収効率の補間値でもよい。

時刻ｔにおける燃料電池部５３の発電電力Ｐ（ｔ）は、式（６）のように表される。
Ｐ（ｔ）＝Ｐ_{ｃｏｎｓｔ}×Ｗ（ｔ） …（６）

計画部５１１は、発電電力Ｐ（ｔ）が電力需要Ｐ_ｄｍに対して余剰となると予想された時間帯について、燃料電池部５３の運転計画を作成する。すなわち、計画部５１１は、発電電力Ｐ（ｔ）が電力需要Ｐ_ｄｍに対して余剰となると予想された時間帯について、式（１）〜（４）と式（６）とを用いて、時刻ｔにおける燃料電池部５３の発電電力Ｐ（ｔ）を算出する。

計画部５１１は、発電電力Ｐ（ｔ）に基づく設定値Ｐ_ｃｏｎを、リアルタイムで制御部５２に送信する。すなわち、計画部５１１は、作成した運転計画に応じた設定値Ｐ_ｃｏｎを、発電電力Ｐ（ｔ）の算出後から所定時間内に制御部５２に送信する。

計画部５１１は、燃料電池部５３の発電電力Ｐ（ｔ）の上限Ｐ_ｍａｘ及び下限Ｐ_ｍｉｎと、電力需要Ｐ_ｄｍとに基づいて、設定値Ｐ_ｃｏｎ（ｋＷ）を式（７）のように算出する。

Ｐ_ｃｏｎ＝Ｍａｘ｛Ｍｉｎ｛Ｍｉｎ｛Ｐ（ｔ）,Ｐ_ｍａｘ｝,Ｐ_ｄｍ｝,Ｐ_ｍｉｎ｝ …（７）

Ｍａｘ｛Ａ,Ｂ｝は、Ａ及びＢのうち大きい値を表す。Ｍｉｎ｛Ａ,Ｂ｝は、ＡとＢに対し小さい値を表す。これによって、計画部５１１は、発電電力Ｐ（ｔ）の上限Ｐ_ｍａｘ及び下限Ｐ_ｍｉｎの範囲内で、電力需要Ｐ_ｄｍを上回らないように設定値Ｐ_ｃｏｎを定めることができる。

計画部５１１は、設定値Ｐ_ｃｏｎを更新する。これによって、計画部５１１は、予測とは異なる熱需要Ｐ_ｄｍが生じて貯湯槽５５の蓄熱量が変化した場合でも、未来における熱需要Ｐ_ｄｍのピークに備えて貯湯槽５５の蓄熱量を適切に確保することができる。

計画部５１１は、現在時刻からｎ時間後までの間に発電メリット値（ｔ）が大きい時間帯について、式（４）を用いて、重み値Ｗ（ｔ）を相対的に大きく定める。すなわち、計画部５１１は、現在時刻からｎ時間後までの間に発電メリット値（ｔ）が小さい時間帯について、式（４）を用いて、重み値Ｗ（ｔ）を相対的に小さく定める。これによって、計画部５１１は、Ｎ時間後の目標時刻までに必要な熱量を生成しながら、熱需要を満たした上で、エネルギーコストの削減効率を向上させることができる。

計画部５１１は、未来における熱需要Ｐ_ｄｍのピークに備えてＮ時間前（１０時間前）から蓄熱を開始させるので、熱需要Ｐ_ｄｍのピークの時刻が予測より（Ｎ−ｎ）時間早くなっても、貯湯槽５５の蓄熱量が無くなることを防ぐことができる。計画部５１１は、熱需要Ｐ_ｄｍのピークの時刻が予測より遅くなっても、蓄熱が完了した時点で発電電力を低下させるため、貯湯槽５５の蓄熱量が過剰となることを防ぐことができる。計画部５１１は、熱需要Ｐ_ｄｍのピークの時刻まで十分な時間が残されている場合、蓄熱のペースを低く保つので、貯湯槽５５から無駄に放熱することを防ぐことができる。計画部５１１は、燃料電池装置５の省エネルギー性を実現することができる。計画部５１１は、デマンドレスポンス又はリアルタイムプライシングによって電気料金単価が変動した場合でも、熱需要を満たした上で、エネルギーコストの削減効率を向上させることができる。

計画部５１１は、算出された発電電力Ｐ（ｔ）に基づく設定値Ｐ_ｃｏｎを、制御部５２に送信する。すなわち、計画部５１１は、作成した運転計画に応じた設定値Ｐ_ｃｏｎを、制御部５２に送信する。

なお、計画部５１１は、電力負荷３に燃料電池部５３から供給される電力が電力負荷３の電力需要Ｐ_ｄｍを超えると予測された場合、燃料電池部５３の発電電力を低下させるための運転計画に応じた値を、制御部５２に送信する。これによって、計画部５１１は、系統電力部２に電力が逆潮流することを回避することができる。また、計画部５１１は、熱需要のピーク時刻まで時間が残されている場合には、貯湯槽５５に蓄熱するペースを遅くすることによって、貯湯槽５５から無駄に放熱することを防ぐことができる。

制御部５２は、発電電力Ｐ（ｔ）に基づく設定値Ｐ_ｃｏｎを、計画部５１１から取得する。制御部５２は、燃料電池部５３の発電電力である交流電力の測定値を、燃料電池部５３から取得する。制御部５２は、電力負荷３の電力需要Ｐ_ｄｍを表す情報を、電力負荷３から取得する。

制御部５２は、設定値Ｐ_ｃｏｎと交流電力の測定値と電力需要Ｐ_ｄｍを表す情報とに基づいて、燃料電池部５３の瞬時的な発電電力を決定する。すなわち、制御部５２は、設定値Ｐ_ｃｏｎと交流電力の測定値と電力需要Ｐ_ｄｍを表す情報とに基づいて、燃料電池部５３の発電電力を所定時間内に決定する。制御部５２は、燃料電池部５３の発電電力を表す制御信号を生成する。制御信号は、例えば、設定値Ｐ_ｃｏｎを表す信号である。燃料電池部５３の発電電力Ｐ（ｔ）が電力負荷３の電力需要Ｐ_ｄｍ以上となることを回避するために、電力負荷３に追従（負荷追従）させた結果を表す信号でもよい。制御部５２は、燃料電池部５３の発電電力を表す制御信号を燃料電池部５３に送信する。

燃料電池部５３は、燃料取得部５３０と、改質部５３１と、燃料発電部５３２と、インバータ５３３とを備える。燃料電池部５３は、補助ボイラ５３４を更に備えてもよい。燃料取得部５３０は、制御信号を制御部５２から取得する。燃料取得部５３０は、制御信号に応じた量の燃料を取得する。燃料は、例えば、都市ガス、液化石油ガス、灯油である。燃料取得部５３０は、取得した燃料を改質部５３１に送る。

改質部５３１は、水素リッチなガス（改質ガス）を、改質処理によって燃料から生成する。改質部５３１は、水素リッチなガスを燃料発電部５３２に送る。

燃料発電部５３２は、水素リッチなガスを改質部５３１から取得する。燃料発電部５３２は、ガス中の水素と空気中の酸素とを反応させて発電する。燃料発電部５３２は、発電に応じて直流電力をインバータ５３３に送る。

インバータ５３３は、燃料発電部５３２から取得した直流電力を、予め定められた周波数の交流電力に変換する。インバータ５３３は、電力負荷３及び蓄電装置７の少なくとも一方に対して交流電力に供給する。インバータ５３３は、燃料電池部５３の発電電力である交流電力の測定値を、制御部５２に送信する。すなわち、インバータ５３３は、インバータ５３３が燃料電池装置５の外部に供給している電力の測定値を、制御部５２に送信する。

補助ボイラ５３４は、燃料を取得する。補助ボイラ５３４は、給湯負荷４の熱需要に対して貯湯槽５５の蓄熱量が不足する場合、給湯負荷４に必要な熱量を供給する。

熱交換部５４は、燃料発電部５３２が発電した場合に発生した排熱を利用した熱交換処理によって水を温めて、湯（熱媒体）を生成する。熱交換部５４は、生成した湯を貯湯槽５５に収容する。

貯湯槽５５は、収容している湯の少なくとも一部を給湯負荷４する。貯湯槽５５は、収容している湯の少なくとも一部を熱交換部５４に送ってもよい。

図２は、電力システム１の動作の例を示す図である。図２に示す斜線領域は、燃料電池部５３の発電量を示す。図２では、０時から６時まででは、電気料金には夜間料金が適用される。６時から２２時まででは、電気料金には昼間料金が適用される。２２時から２４時まででは、電気料金には夜間料金が適用される。昼間料金は、夜間料金よりも高い料金である。

蓄熱量１００は、０時から２４時までの蓄熱量の変化を示す。電力需要１０１は、０時から２４時の電力需要を示す。太陽光発電電力１０２の線は、８時から１６時までの太陽光発電電力を示す。熱需要１０３は、６時から８時までの熱需要を示す。熱需要１０４は、１８時から２０時までの熱需要を示す。熱需要１０５は、２２時から２３時までの熱需要を示す。

図２では、１０時から１５時まででは、太陽光発電電力１０２は、電力需要１０１に対して余剰となっている。１０時から１５時までにおける売電単価が１日のうち他の時間帯と比較して高いので、１０時から１５時までにおける太陽光発電装置６の発電メリット値は高い。したがって、１０時から１５時まででは、太陽光発電装置６が発電した電力を需要者が売電したほうが、太陽光発電装置６が発電した電力を電力負荷３が消費する場合と比較して、発電コストは安くなる。

発電コスト（エネルギーコスト）とは、目標蓄熱量を得るために必要となるガス料金から、燃料電池部５３が発電することによって削減された電気料金を減算した結果である。発電コストは、光熱費のように金額で表現されてもよい。

１０時から１５時までの時間帯は、燃料電池装置５が発電した場合に削減可能なエネルギーコストが多い（発電メリット値が大きい）時間帯である。１０時から１５時まででは、燃料電池部５３は、燃料電池部５３の発電電力の上限を超えない範囲で、電力需要１０１を満たすよう発電する。貯湯槽５５は、貯湯槽５５の蓄熱量の上限を超えない範囲で、熱需要１０３−１０５を満たすように蓄熱する。

図３は、運転計画部５１の動作の例を示す図である。図３では、現在時刻ｔ０から時刻ｔ１における第１の発電メリット値と、現在時刻ｔ１から時刻ｔ２における第２の発電メリット値と、現在時刻ｔ２から時刻ｔ３における第３の発電メリット値と、現在時刻ｔ３から時刻ｔ４における第４の発電メリット値とでは、第３の発電メリット値が最も大きい。

熱需要１０６は、時刻ｔ１から時刻ｔ２までに含まれた時間帯における熱需要を示す。熱需要１０７は、時刻ｔ２から時刻ｔ３までに含まれた時間帯における熱需要を示す。熱需要１０８は、時刻ｔ３から時刻ｔ４までに含まれた時間帯における熱需要を示す。計画部５１１は、発電メリット値が大きくなるのに応じて、発電電力を多くする運転計画を作成する。計画部５１１は、発電メリット値が大きい時間帯では、貯湯槽５５に蓄熱するペースを早くする。貯湯槽５５は、熱需要１０６−１０５を満たすように蓄熱する。

図４は、運転計画部５１の動作の例を示すフローチャートである。予測部５１０は、過去の所定時間について、給湯負荷４の熱需要の測定値を需要情報取得部５０２から取得する（ステップＳ１０１）。予測部５１０は、履歴データベースを更新する（ステップＳ１０２）。予測部５１０は、未来における予測対象日について、給湯負荷４の熱需要の測定値に基づいて給湯負荷４の熱需要を時間帯ごとに予測する（ステップＳ１０３）。

予測部５１０は、未来における予測対象日について、過去の所定時間における電力負荷３の電力需要を表す測定値に基づいて電力負荷３の電力需要を時間帯ごとに予測する（ステップＳ１０４）。需要情報取得部５０２は、未来における予測対象日について、未来における予測対象日の気象情報と過去の所定時間における太陽光発電装置６の発電電力の測定値とに基づいて太陽光発電装置６の発電電力を予測する（ステップＳ１０５）。予測部５１０は、過去の所定時間における給湯負荷４の熱需要の測定値に基づいて、太陽光発電装置６又は燃料電池部５３の発電電力が電力需要に対して余剰となる時間帯を予測する（ステップＳ１０６）。

計画部５１１は、１時間ごとの給湯負荷４の熱需要の予測値に基づいて、目標蓄熱量を決定する（ステップＳ１０７）。計画部５１１は、蓄熱量差ΔＱを決定する（ステップＳ１０８）。計画部５１１は、燃料電池部５３が停止中又は起動中のいずれであるかを判定する（ステップＳ１０９）。

燃料電池部５３が起動中である場合（ステップＳ１０９：ＮＯ）、計画部５１１は、現在時刻が１日のうち最初の正時であるか否かを判定する。さらに、計画部５１１は、現在蓄熱量が目標蓄熱量より多いか否かを判定する（ステップＳ１１０）。現在時刻が１日のうち最初の正時でない場合（ステップＳ１１０：ＮＯ）、計画部５１１は、ステップＳ１１５に処理を進める。現在蓄熱量が目標蓄熱量以下である場合（ステップＳ１１０：ＮＯ）、計画部５１１は、ステップＳ１１５に処理を進める。

現在時刻が１日のうち最初の正時であり且つ現在蓄熱量が目標蓄熱量より多い場合（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、計画部５１１は、燃料電池部５３を停止させるための運転計画を作成する（ステップＳ１１１）。

燃料電池部５３が停止中である場合（ステップＳ１０９：ＹＥＳ）、計画部５１１は、現在蓄熱量が目標蓄熱量より多いか否かを判定する（ステップＳ１１２）。現在蓄熱量が目標蓄熱量より多い場合（ステップＳ１１２：ＹＥＳ）、計画部５１１は、燃料電池部５３を停止させるための運転計画を作成する（ステップＳ１１３）。現在蓄熱量が目標蓄熱量以下である場合（ステップＳ１１２：ＮＯ）、計画部５１１は、燃料電池部５３を起動させるための運転計画を作成する（ステップＳ１１４）。

計画部５１１は、電気料金単価情報とガス料金単価情報と売電単価情報とを取得する（ステップＳ１１５）。計画部５１１は、発電メリット値を時間帯ごとに決定する（ステップＳ１１６）。計画部５１１は、発電メリット値が高い時間帯において燃料電池部５３の発電電力が高くなるように、熱需要を満たす運転計画を作成する（ステップＳ１１７）。

図５は、現在蓄熱量の例を示す図である。図５では、運転計画作成時刻と、熱需要の予測対象時間帯と、目標蓄熱量（ｋＷｈ）と、現在蓄熱量（ｋＷｈ）と、蓄熱量差ΔＱと、発電電力とが対応付けられている。計画部５１１は、運転計画を１時間ごとに作成する。熱需要が発生する時間帯が１日における特定の時間帯に偏っている場合、熱需要が発生する時間帯に現在時刻が近づくほど、蓄熱量差ΔＱは小さくなる。図５では、特定の時間帯は、一例として２０−６時である。運転計画に基づく発電電力Ｐ（ｔ）は、熱需要が発生する時間帯に現在時刻が近づくほど小さくなる。

以上のように、第１の実施形態の運転計画部５１（運転計画装置）は、予測部と、計画部とを持つ。予測部５１０は、熱需要を予測する。計画部５１１は、発電メリット値を、現在時刻からＮ時間後まで（第１期間）内の所定の時間帯ごとに、予測された熱需要に基づいて決定する。計画部５１１は、第１期間における熱需要を満たす蓄積量である目標蓄熱量と発電メリット値とに基づいて、燃料電池部５３の運転計画を所定の時間帯ごとに作成する。

これによって、第１の実施形態の運転計画部５１（運転計画装置）は、熱需要を満たした上で、エネルギーコストの削減効率を向上させることができる。つまり、運転計画部５１は、蓄熱の目標時刻までに発電メリット値が変化する場合でも、変化する発電メリット値に応じて運転計画を作成するので、熱需要を満たした上でエネルギーコストの削減効率を向上させることができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態では、第１の実施形態と比較して短い時間に関して熱需要の熱量が予測される点が、第１の実施形態と相違する。第２の実施形態では、第１の実施形態との相違点についてのみ説明する。

図５に示す場合、熱需要が発生する時間帯に現在時刻が近づくほど蓄熱量差ΔＱが小さくなるので、熱需要が発生する２０時から６時までの時間帯において、現在蓄熱量は目標蓄熱量に対して不足する場合がある。第１の実施形態では、図５に示す場合、例えば、熱需要４．００ｋＷｈが発生する時間帯の開始時刻である２０時において、現在蓄熱量が一例として２．４９ｋＷｈとなる場合がある。

計画部５１１は、現在時刻からＮ時間後までの給湯負荷４の熱需要の測定値を合計する。さらに、計画部５１１は、現在時刻からｘ時間後までの給湯負荷４の熱需要の測定値を合計する。ｘ時間は、第１の実施形態におけるＮ時間（１０時間）よりも短い時間長である。ｘ時間は、一例として８時間である。計画部５１１は、目標蓄熱量を更新する。例えば、計画部５１１は、現在時刻からｘ時間後まで（第２期間）の給湯負荷４の熱需要の測定値の合計結果を、更新された目標蓄熱量（第２の目標蓄熱量）と定める。

計画部５１１は、現在蓄熱量と更新された目標蓄熱量との差を算出する。以下、現在蓄熱量と更新された目標蓄熱量との差を「更新された蓄熱量差」という。計画部５１１は、更新された蓄熱量差ΔＱ’の熱量をｎ時間（８時間）で貯湯槽５５に回収するように、運転計画を所定周期で作成する。計画部５１１は、更新された蓄熱量差ΔＱ’に基づいて、更新された発電電力Ｐ’（ｔ）を決定する。例えば、計画部５１１は、更新された蓄熱量差ΔＱ’に基づいて、停止中の燃料電池部５３を起動させるか否かを判定する。計画部５１１は、更新された蓄熱量差ΔＱ’に基づいて、起動中の燃料電池部５３を停止させるか否かを判定する。

計画部５１１は、燃料電池部５３の発電電力Ｐ（ｔ）の上限Ｐ_ｍａｘ及び下限Ｐ_ｍｉｎと、電力需要Ｐ_ｄｍと、更新された発電電力Ｐ’（ｔ）とに基づいて、式（８）のように設定値Ｐ_ｃｏｎを算出する。

Ｐ_ｃｏｎ＝Ｍａｘ｛Ｍｉｎ｛Ｍｉｎ｛Ｍａｘ｛Ｐ（ｔ），Ｐ’（ｔ）｝，Ｐ_ｍａｘ｝，Ｐ_ｄｍ｝，Ｐ_ｍｉｎ｝ …（８）

例えば、計画部５１１は、補助ボイラ５３４よりも燃料発電部５３２のほうが発電コストを削減できる場合、燃料電池部５３に発電させるための運転計画を式（８）に基づいて作成する。

図６は、運転計画部５１の動作の例を示すフローチャートである。図６に示すステップＳ１０１からステップＳ１１７までは、図４に示すステップＳ１０１からステップＳ１１７までと同じである。計画部５１１は、目標蓄熱量を更新する（ステップＳ１１８）。計画部５１１は、更新された蓄熱量差ΔＱ’を算出する（ステップＳ１１９）。計画部５１１は、更新された発電電力Ｐ’（ｔ）に基づいて、更新された発電メリット値（ｔ）を算出する（ステップＳ１２０）。計画部５１１は、燃料電池部５３の発電電力Ｐ（ｔ）の上限Ｐ_ｍａｘ及び下限Ｐ_ｍｉｎと、電力需要Ｐ_ｄｍと、更新された発電電力Ｐ’（ｔ）とに基づいて、設定値Ｐ_ｃｏｎを算出する。すなわち、計画部５１１は、更新された運転計画を作成する（ステップＳ１２１）。

以上のように、第２の実施形態の計画部５１１は、Ｎ時間よりも短いｘ時間における熱需要を満たすように更新された目標蓄熱量と発電メリット値とに基づいて、燃料電池部５３の運転計画を時間帯ごとに更新する。これによって、第２の実施形態の運転計画部５１は、熱需要が発生する時間帯が１日における特定の時間帯に偏っている場合でも、熱需要を満たした上で、エネルギーコストの削減効率を向上させることができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態では、予測対象日における発電メリット値が最も大きい時間帯について運転計画を最適化する点が、第１の実施形態と相違する。第３の実施形態では、第１の実施形態との相違点についてのみ説明する。

計画部５１１は、発電コストを算出する。発電コストは、式（１０）〜（１７）に基づいて、式（９）のように表される。

発電コスト（Ｐ）＝ガス料金（Ｐ）_{（燃料発電部）}−電気料金削減額（Ｐ）＋ガス料金（Ｐ）_{（補助ボイラ）} …（９）

電気料金削減額＝Ｐ×Ｍｉｎ｛目標時間，所要時間｝×電気料金単価 …（１０）

ガス料金_{（燃料発電部）}＝Ｐ／発電効率（Ｐ）×Ｍｉｎ（目標時間，所要時間）×ガス料金単価 …（１１）

ガス料金（Ｐ）_{(補助ボイラ)}＝ボイラ熱供給量×ガス料金単価 …（１２）

所要時間＝目標蓄熱量×発電効率（Ｐ）／（発電電力Ｐ×排熱回収効率） …（１３）

待機時間＝Ｍａｘ｛目標時間−所要時間，０｝ …（１４）

不足熱量＝発電電力Ｐ／発電効率（Ｐ）×Ｍａｘ｛所要時間−目標時間,０｝ …（１５）

放熱熱量＝目標蓄熱量×（１−保温効率^{（待機時間）}） …（１６）

ボイラ供給熱量＝（放熱熱量＋不足熱量）／ボイラ効率 …（１７）

発電効率（Ｐ）は、燃料電池部５３の発電効率を表す。すなわち、発電効率（Ｐ）は、燃料発電部５３２の発電効率を表す。目標時間は、予め定められる。排熱回収効率は、燃料発電部５３２の排熱回収効率を表す。ボイラ効率は、補助ボイラ５３４の排熱回収効率を表す。不足熱量は、燃料発電部５３２の排熱による蓄熱量が目標蓄熱量に対して不足している熱量を表す。放熱熱量は、停止した燃料電池部５３から放熱される熱量である。

計画部５１１は、発電メリット値が最大となる時間帯について、運転計画を作成する。計画部５１１は、発電電力Ｐ（ｔ）に基づいて運転計画を作成する代わりに、発電コストを最小化する発電電力Ｐ＊に基づいて運転計画を作成する。

計画部５１１は、蓄熱量差ΔＱを補う熱量を生成するために、補助ボイラ５３４を起動させるための運転計画を作成してもよい。例えば、計画部５１１は、現在蓄熱量が目標蓄熱量以下である場合、式（１５）に示す不足熱量と式（１６）に示す放熱熱量とに基づいて運転計画を作成する。計画部５１１は、例えば、発電電力Ｐ＊を表す値を非線形計画法によって算出する。計画部５１１は、例えば、予め離散化した発電電力を全探索することによって、発電電力Ｐ＊を表す値（発電電力値Ｐ＊）を算出してもよい。

図７は、発電コストの例を示す図である。横軸は、発電電力Ｐ＊を示す。縦軸は、光熱費を示す。式（９）に示すように、発電コストは、燃料電池部５３のガス料金と補助ボイラ５３４のガス料金との合計額から電気料金削減額を減算した結果である。図７では、発電コストを最小化する発電電力Ｐ＊は、０．５５（ｋＷ）である。計画部５１１は、発電メリット値が最大となる時間帯について、発電電力Ｐ＊（＝０．５５ｋＷ）で発電する運転計画を作成する。

図８は、運転計画部５１の動作の例を示すフローチャートである。図８に示すステップＳ１０１からステップＳ１１７までは、図４に示すステップＳ１０１からステップＳ１１７までと同じである。計画部５１１は、発電コストを算出する（ステップＳ１２２）。計画部５１１は、発電コストを最小化する発電電力値Ｐ＊を算出する（ステップＳ１２３）。計画部５１１は、発電メリット値が最大となる時間帯について運転計画を更新する（ステップＳ１２４）。

以上のように、第３の実施形態の計画部５１１は、燃料発電部５３２の燃料料金と補助ボイラ５３４の燃料料金との合計額から、削減されるエネルギーコスト（電気料金削減額）を減算した結果（発電コスト）を最小化する運転計画を、エネルギーコストが最も少ない時間帯ごとに作成する。これによって、第３の実施形態の運転計画部５１は、熱需要が発生する時間帯が１日における特定の時間帯に偏っている場合でも、熱需要を満たした上で、エネルギーコストの削減効率を更に向上させることができる。

以上述べた少なくともひとつの実施形態によれば、燃料電池によって削減されるエネルギーコストを表す評価値を第１期間内の所定の時間帯ごとに熱需要に基づいて決定し、第１期間における熱需要を満たす蓄積量である目標蓄熱量と評価値とに基づいて燃料電池の運転計画を所定の時間帯ごとに作成する計画部を持つことにより、熱需要を満たした上で、エネルギーコストの削減効率を向上させることができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…電力システム、２…系統電力部、３…電力負荷、４…給湯負荷、５…燃料電池装置、６…太陽光発電装置、７…蓄電装置、５０…情報取得部、５１…運転計画部、５２…制御部、５３…燃料電池部、５４…熱交換部、５５…貯湯槽、１００…蓄熱量、１０１…電力需要、１０２…太陽光発電電力、１０３…熱需要、１０４…熱需要、１０５…熱需要、１０６…熱需要、１０７…熱需要、１０８…熱需要、５００…料金情報取得部、５０１…気象情報取得部、５０２…需要情報取得部、５１０…予測部、５１１…計画部、５１２…記憶部、５３０…燃料取得部、５３１…改質部、５３２…燃料発電部、５３３…インバータ、５３４…補助ボイラ

Claims (13)

1. 熱需要を予測する予測部と、
   燃料電池によって削減されるエネルギーコストを表す評価値を第１期間内の所定の時間帯ごとに前記熱需要に基づいて決定し、前記第１期間における前記熱需要を満たす蓄積量である目標蓄熱量と前記評価値とに基づいて前記燃料電池の運転計画を前記所定の時間帯ごとに作成する計画部と
   を備える運転計画装置。
2. 前記計画部は、前記燃料電池の燃料料金と前記燃料電池に関する効率とに基づいて前記評価値を決定する、請求項１に記載の運転計画装置。
3. 前記計画部は、更に太陽光発電電力の売電価格に基づいて前記評価値を決定する、請求項２に記載の運転計画装置。
4. 前記計画部は、前記燃料電池の燃料購入量と前記燃料電池の燃料料金と前記燃料電池の発電電力とに基づいて前記燃料電池に関する効率を決定する、請求項２又は請求項３に記載の運転計画装置。
5. 前記計画部は、前記第１期間よりも短い第２期間における前記熱需要を満たすように更新された前記目標蓄熱量と前記評価値とに基づいて前記燃料電池の運転計画を前記所定の時間帯ごとに更新する、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の運転計画装置。
6. 前記計画部は、前記燃料電池の燃料発電部の燃料料金と前記燃料電池の補助ボイラの燃料料金との合計額から、前記削減されるエネルギーコストを減算した結果を最小化する前記運転計画を、前記エネルギーコストが最も少ない前記所定の時間帯ごとに作成する、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の運転計画装置。
7. 前記計画部は、前記第１期間において前記熱需要が満たされている場合、前記燃料電池の発電電力の余剰分を蓄電池に蓄電させる、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の運転計画装置。
8. 前記計画部は、前記第１期間において前記熱需要が満たされている場合、太陽光発電電力の余剰分を蓄電池に蓄電させる、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の運転計画装置。
9. 前記計画部は、前記運転計画を作成する対象日における前記熱需要と前記対象日よりも前における前記熱需要との差に基づいて、前記第１期間の時間長を決定する、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の運転計画装置。
10. 前記計画部は、前記第１期間において変動する電気料金に基づいて前記評価値を決定する、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の運転計画装置。
11. 燃料電池と、
    熱需要を予測する予測部と、
    前記燃料電池によって削減されるエネルギーコストを表す評価値を第１期間内の所定の時間帯ごとに前記熱需要に基づいて決定し、前記第１期間における前記熱需要を満たす蓄積量である目標蓄熱量と前記評価値とに基づいて前記燃料電池の運転計画を前記所定の時間帯ごとに作成する計画部と、
    前記運転計画に基づいて前記燃料電池を運転する制御部と
    を備える燃料電池装置。
12. 運転計画装置が実行する運転計画方法であって、
    熱需要を予測するステップと、
    燃料電池によって削減されるエネルギーコストを表す評価値を第１期間内の所定の時間帯ごとに前記熱需要に基づいて決定し、前記第１期間における前記熱需要を満たす蓄積量である目標蓄熱量と前記評価値とに基づいて前記燃料電池の運転計画を前記所定の時間帯ごとに作成するステップと
    を含む運転計画方法。
13. コンピュータに、
    熱需要を予測する手順と、
    燃料電池によって削減されるエネルギーコストを表す評価値を第１期間内の所定の時間帯ごとに前記熱需要に基づいて決定し、前記第１期間における前記熱需要を満たす蓄積量である目標蓄熱量と前記評価値とに基づいて前記燃料電池の運転計画を前記所定の時間帯ごとに作成する手順と
    を実行させるための運転計画プログラム。

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