JP2019140780A - 電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】コジェネレーションを備える施設において、商用電力停止時時に、電力供給量、需要量変化、様々な災害レベルに応じた適切な電力供給手段を提供する。【解決手段】商用電力と、商用電力に電気的に並列に接続されるコジェネ独立発電装置及びびフライホイールと、停電時にフライホイールの回転で発電し、各施設、機器に電力線を介して電力供給する第二発電機と、停電時に最大電力発電量と各施設、機器の電力使用総量を比較し機器の種類を特定した情報に基づき最大電力発電量の範囲内で電力供給先を選択、決定し、実行するための制御信号を生成するコントローラと、各種機器情報、信号をコントローラにＰＬＣ原理で送受信するコンセントと、コントローラとコンセントの間に介在しコントローラの制御信号に基づきコンセントから各施設、機器への通電のオンオフを実施するスイッチとからなる電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステムとした。【選択図】図３

Description

本発明はコジェネレーションを備える施設において、商用電力停止時に、電力供給量、需要量変化、様々な災害レベルに応じた適切な電力供給手段、すなわち、有限な電力を必要なところに必要なだけ給し、電力を効率的に配分する、電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステムに関する。
より詳しくは、特に、大量電力消費施設、例えば病院などの大型施設に特に効果的で、商用電力と、商用電力から独立して駆動する施設専用などの独自発電装置とを施設の通常時電源とし、かつ、商用電力を電力需要変動追随電源とし、独立発電装置はベース電源であって排熱等のエネルギーも利用する独立発電装置（コジェネ独立発電装置）を備える施設において、自然災害等で、商用電力の供給が停止した場合のベース電源の有効利用、すなわち商用電源停止時に供給可能な電力を無駄なくかつ優先順に従って配分するよう管理する、電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステムに関する。

非特許文献１に、「コージェネレーション、またはコジェネレーション （ｃｏｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）、英語では“ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｈｅａｔ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ”ともいわれる。これは、内燃機関、外燃機関等の排熱を利用して動力・温熱・冷熱を取り出し、総合エネルギー効率を高める、新しいエネルギー供給システムのひとつである。
略してコージェネ、コジェネとも呼ばれる。一般的には熱併給発電（ねつへいきゅうはつでん）または熱電併給（ねつでんへいきゅう）と訳されている。訳語から廃熱発電を用いるものと考えられがちだが、給湯など発電以外のものもある。
日本においては、京都議定書の発効に伴い、製造サイドとして電機メーカーやガス会社が、需要者サイドとしてイメージ向上の効果も狙うスーパーマーケットや大エネルギー消費者である大規模工場などで関心が高まっている。」とあるように、昨今、エネルギーの有効活用にも関心が向けられているようになってきた。

コジェネレーションは、エネルギーの有効活用の他、地震などの自然災害、人災などにより、商用電力の供給が停止した場合に、バックアップ電源としても期待できる。

みずほ銀行産業調査部２０１３年５月２４日発行、みずほ産業調査 Ｖｏｌ．４２「［Ｆｏｃｏｓ］コジェネの導入推進とコジェネ機器の更なる海外展開の可能性」（非特許文献２）によると、ドイツでのコジェネによる火力発電全体に対する発電割合は２９．１％に達している。これは、コジェネが電力だけでなく熱源供給装置として活用されていることが背景にある。東京における２月の平均気温は５．７℃（１９８１−２０１０年）であるが、ドイツは２月の平均気温が２．０℃（ベルリン、気象庁調べ）であり、暖房需要が高いことがわかる。このように、コジェネ導入によってエネルギー効率を向上させるためには、発電に伴って発生する熱エネルギーをいかに有効活用するかが重要であることが分かる。

我が国の施設において、熱エネルギーを常時必要とする業態として、ホテルならびに病院が挙げられる。病院においては、入浴、室内保温、煮沸殺菌などにおいて常時熱源が必要であり、重油式ボイラ等が設置されている。

また病院は、病室における２４時間空調、薬剤等の保管に必要な冷凍冷蔵設備、電子カルテシステムなど、電力を大量に消費する医療機器、医療用装置が必要であり、従来から暖房、ボイラ等でまかなう熱利用設備の有効活用方法として、コジェネレーションの導入が検討されつつある。特に、バックアップ電源としては魅力的である。大規模病院は、停電が人命の危機に直結するため、停電に備えてバックアップ電源（燃料発電機、蓄電池）を備えている。

従来のバックアップ電源は、重油等を備蓄した非常用のディーゼルエンジンを使用する例が挙げられる。このディーゼルエンジンは普段は使用せず、停電のときに稼働させるため、費用対効果の低い設備である。

通常の病院施設においては、維持費の観点から、バックアップ電源で供給できる電力は、該当病院施設が診療機能を１００％発揮するために通常消費している電力と比較して非常に少ない。このディーゼルエンジン発電による電力供給用途は、手術時停電における手術室電力の確保や、通路での非常照明、固定内線電話などの小電力消費用途に限定される。

災害発生時において、災害発生地域近隣の病院施設は、被災者、疾病者の受け入れを積極的に担う立場にあり、通常診療時よりも多くの医療行為が求められる。災害の種類が、大規模交通事故のように、電力、水道などのライフラインのダメージを伴わない災害であれば、病院内の全機能が稼働可能である。しかし、地震による、建物損壊や事故、火災の発生に伴う大量の傷病者の発生と、停電を伴うライフライン途絶が同時に発生するような場合には、通常の受電電力は停止しているため、小電力容量の非常用発電機のみでは病院機能を１００％発揮させることができない。

特に、救急医療では、生命維持が最優先され、呼吸維持、心拍回復と止血が優先される。このため重症の疾病者では出血、骨折の箇所を迅速に特定する必要があり、侵襲性が低く疾病者の断層映像を迅速に得られるＣＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ：コンピュータ断層撮影）装置の利用が強く望まれる。ＣＴ装置はその瞬間出力電力は１００ｋＷにも達し、電源負荷として５０ｋＷ程度が必要となる大電力装置である。また炎症など幅広い傷病者の診断目的で用いられるＭＲＩ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ：核磁気共鳴画像法）装置も、電源負荷として３０ｋＷ程度が必要である。災害拠点となる病院施設は、災害時にこのような大電力装置がフル稼働する可能性を考慮する必要がある。このような問題を解決する手段として、コジェネの導入により、常時使用する電力の相当の割合をコジェネ発電で賄い、不足分について受電電力で賄う電力運用方式が考えられる。

昼間だけ稼働する工場施設や、排熱が活用できない施設用途においては、コジェネレーション装置の経済的効果は限定的で、必要電力全体に対するコジェネ発電の割合を高くすることが経済的に困難である。一方、病院施設のように常時熱源利用がある施設では、コジェネ発電の割合を相当に高くすることが可能である。このように、コジェネ装置を従来のバックアップ電源に置き換えることができれば、経費の削減にも繋がり、かつ災害拠点としての病院機能を果たすための発電能力、熱エネルギー供給能力を備えることができる。

他方で、バックアップ電源は、重油、灯油、ガス等を燃料とするため、その供給も大規模災害では継続的なライフラインが停止することが想定される。加えて、受電電力およびライフラインの回復まで、生命維持を最優先しながら、可能な限りの救命活動を行うための制約された電力利用をせざるを得ない状況に陥ることも十分想定される。

コジェネ装置は採算性を高めるために、必要な熱供給量に合わせて発電量が従属的に決定され、かつ、過剰な電力設備は施設維持費の負担になるため、コジェネの発電容量は病院全体が必要とする電力負荷を超えることは基本的にない。そのような状況下、燃料が尽きるまで無停電で、かつ安定的に、コジェネレーション電力を必要なところに、必要なだけ供給し、できるだけ有限な電力を効率的に使用することが望まれる。しかしながら、病院設備において、停電時のバックアップ電源、ましてや停電時のコジェネレーションの効率的な電力配分については、全く検討されていない。

他方、病院のような大規模施設では、その停電の間にも、必要な施設、優先順位の高い施設が刻々と変化し、電力負荷も変動する。従来のバックアップ電源では、無停電での切り替えが実現したとしても、過剰な電流が機器にながれ、機器が故障することがある。さらに、長時間停電が継続すれば、燃料の枯渇等で電力供給量も減少する。加えて、供給先の機器の切り替えも必要になる。

他方、特許文献１では、通信回線を用いて電力系統の安定化を行うシステムが提案されている。しかし、そのシステムは、突然の停電に対し、数秒から数十秒以上の周期で変動する負荷の平準化を目的としており、突然の停電に対する医療機器への供給電力の電圧の安定化、及び安定供給に対応することは想定されていない。

その一例として、近年のＣＴ装置やＭＲＩ装置などの医療機器では高い割合でコンピュータが制御装置または入出力コンソールを兼ねているが、これらの据え置き型装置および電子カルテ端末等においてはすべてのコンピュータ装置部に無停電電源装置が搭載されていないのが現状であり、特に大電力を必要とする箇所での無停電化は進んでいない。

特開２００６−３５３０７９号公報

https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B3%E3%82%B8%E3%82%A7%E3%83%8D%E3%83%AC%E3%83%BC%E3%82%B7%E3%83%A7%E3%83%B3 https://www.mizuhobank.co.jp/corporate/bizinfo/industry/sangyou/pdf/1042_02_01.pdf

そこで、本発明は、コジェネレーションを備える施設において、商用電力停止時時に、電力供給量、需要量変化、様々な災害レベルに応じた適切な電力供給手段、すなわち、有限な電力を必要なところに必要なだけ給し、電力を効率的に配分する、電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステムを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、
（１）
停電しておらず所望の電力を得られる状態の通常時に、各施設、機器の電力需要変動に追随して電力線を介して前記各施設、機器に電力供給する商用電力と、
前記商用電力に電気的に並列に接続される第一発電機と前記第一発電機を駆動するエンジンとからなり、前記商用電力の供給を受けることなく独立して発電するとともに、前記エンジン駆動に伴う排エネルギーが利用されるコジェネ独立発電装置と、
前記商用電力に電気的に並列に接続され、前記通常時に前記商用電力及び／又は前記コジェネ独立発電装置の電力で回転保持して電力を回転エネルギーとして蓄積するフライホイールと、
前記商用電力の停電時に前記フライホイールの回転で発電し、前記各施設、機器に前記電力線を介して電力供給する第二発電機と、
前記第一、第二発電機と各施設、機器を繋ぐ電力線に介在し、前記商用電源の停電時に、最大電力発電量と前記各施設、機器の電力使用総量を比較し、前記最大電力発電量の範囲内で電力供給先を選択、決定し、実行するための制御信号を生成するコントローラと、
前記各施設、機器が電気的に接続され、それらに電気を供給するとともに、前記電力使用総量の基礎になる前記各施設、機器消費電力量の実測値、及び前記各施設、機器から得られる単位時間当たりの電気消費量変化のアナログ値である消費電力波形を、デジタル信号に変換し、前記電力線を介して前記コントローラに電力線通信（Ｐｏｗｅｒ Ｌｉｎｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ＰＬＣ）原理で送信するコンセントと、
前記コントローラと前記コンセントの間に介在し、前記コントローラの前記制御信号に基づき、前記コンセントから前記各施設、機器への通電のオンオフを実施するスイッチと、
からなり、
前記コントローラが、
前記電力供給先を選択、決定するに際して、前記コンセントから得られた、前記消費電力波形のデジタル信号と予め前記コントローラに格納されている消費電力波形のデジタル情報と比較して、前記各施設、機器を特定し、
さらに、
前記各施設、機器の特定結果及び前記コントローラに予め格納されている判断基準に基づき、前記最大電力発電量の範囲内で電力供給先を選択、決定することを特徴とする
電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステム。
（２）
前記判断基準が、設備、機器間で予め決められた優先順位であることを特徴とする（１）に記載の電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステム。
（３）
前記各施設、機器消費電力量の実測値が、前記コンセントが電力消費パターンを実測して機器特定することによって非常時の電力優先経路を動的に決定することを特徴とする（１）に記載の電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステム。
（４）
前記コンセントごとに、前記コントローラの前記制御信号と別系統の強制オン信号を生成し、前記スイッチを通電状態に制御する強制ＯＮスイッチを備えることを特徴とする（１）に記載の電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステム。
（５）
前記フライホイールの回転軸が、重力方向と一致していることを特徴とする（１）に記載の電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステム。
の構成とした。

本発明は、上記構成であるので、コジェネレーションを備える施設において、商用電力停止時に、電力供給量、需要量変化、様々な災害レベルに応じた適切な電力供給手段、電気消費量変動に追随でき、有限な電力を必要なところに必要なだけ給し、電力を効率的に配分する、電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステムを提供できる。
さらに詳しくは、主に以下の４点が挙げられる。
すなわち、（１）自然災害等で、商用電力の供給が予告なしに停止した場合、通電状態にある機器のうち、通電状態を維持しなければならない機器を選択し、かつ不要な機器を安全に電源遮断するための時間（数秒間から１０秒間程度）を持たせる、瞬間的に大電力を出力することができる。
（２）コジェネレーションシステムの発電電力能力の最大値付近で、かつ、最大値を決して超過しない状態で常に負荷を保つような、災害復旧活動や生命維持活動に必要な用途の機器に優先して電力を配分することができる。
（３）電力の配分方法が、従来技術で見られていた建物ごとのＯＮ／ＯＦＦを基本動作とする方法から、本発明のコンセントを採用することで、全棟全居室での電力消費を伴う活動を可能とし、さらに、生命維持活動の重要度に応じて接続される機器ごとに電力配分が可能になる。
（４）接続された機器について、その使用電力パターン（単位時間当たりの消費電力波形）に基づいてその機器を特定することができることから、その機器が部屋や建物を移動した際も、その機器の種類が認識されることで、適切な利用通電制御、機器の利用切り替えがスタッフによる特別な作業を必要とすることなく行える。
以上のような、電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステムを提供することができる。すなわち、商用電力から独立したコジェネ独立発電装置、フライホイールの回転による第二発電機による発電電力の有効利用、すなわち優先使用を管理することができる。さらには、縦置き型フライホイール発電であれば、装置メンテナンスを大きく低減させることが可能な、電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステムを提供できる。

本発明である電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステムの全体構成模式図である。 図１の構成において、通常時の電力供給状態の模式図である。 図１の構成において、商用電力停電時の稼働状態の模式図である。 図１の構成において、商用電力、コジェネ独立発電装置も停止したときの稼働状態の模式図である。 スイッチ、コンセント、機器との配線、データ送受信を説明する模式図である。 通常時運転（図１）から、電源が変動し、さらにだんだんと供給電気総量が減っていくときに、消費電力総量を追随させている状況を示している。

以下、添付図面に基づき本発明について詳細に説明する。なお、本発明は下記実施例に限定されるものではない。

図１−５に示すように、本発明である電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステム１は、商用電力２と、コジェネ独立発電装置３と、フライホイール４と、第二発電機５と、コントローラ６と、スイッチ８と、コンセント９とからなり、それらが、電力線１０を介して接続され、電力を送受電し、各種信号を送受信する。

商用電力２は、停電しておらず所望の電力を得られる状態の通常時に、各施設７、機器の電力需要変動に追随して電力線１０を介して各施設７、機器に電力供給する。

ここで、本発明の適用に適した施設としては、コジェネ独立発電装置３の排熱３ｃを有効に利用できる、給湯設備、ボイラを稼働させる、病院、ホテル、各種工場などの大規模施設が例示できる。機器としては、図１に示す病院であれば、手術室７ａ、検査ルーム７ｂ、事務室７ｃ等の各施設７等において、備えつけられ、移動し得る、例えば、照明、生命維持装置、レントゲン、ＣＴなどの検査装置、電話、ネットなどの通信機材等などが例示できる。

コジェネ独立発電装置３は、商用電力２に電気的に並列に接続される第一発電機３ｂと第一発電機３ｂを駆動するエンジン３ａとからなり、商用電力２の供給を受けることなく独立して発電するとともに、エンジン３ａの駆動に伴う排熱３ｃなどの排エネルギーが施設等で利用される。コジェネ独立発電装置３で発電された電力は、商用電力２に混合器１０ａを経由して混合出力される。

フライホイール４は、商用電力２に電気的に並列に接続され、通常時に商用電力２及び／又はコジェネ独立発電装置３の電力で回転保持して電力を回転エネルギーとして蓄積する。フライホイール４の回転軸４ａは、重力方向と一致している、縦置き型であることが望ましい。フライホイールの回転軸が、重力方向と直交する横置き型のフライホイールでは、重量物であるフライホイールを保持するベアリングの定期的なメンテナンスが必要である。他方、縦置き型のフライホイール４にすることで、ベアリングメンテナンスがほぼ不要になる。

第二発電機５は、商用電力２の停電時にフライホイール４の回転軸４ａと瞬時に接続し、フライホイール４の回転で発電し、各施設、機器に電力線１０を介して電力を供給する。コジェネ独立発電装置３第二発電機で発電された電力は、商用電力２に混合器１０ｂを経由して混合出力される。

コントローラ６は、図５にも示すように、第一、第二発電機３ｂ、５と各施設７、機器を繋ぐ電力線１０に介在し、商用電源の停電時に、最大電力発電量（例えば、コジェネ独立発電装置３及び／又はフライホイール４による第二発電機５の発電総量）と各施設７、機器の電力使用総量を比較し、機器の種類を特定した情報に基づき最大電力発電量の範囲内で電力供給先を選択、決定し、実行するための制御信号を生成する。

コントローラ６による電力供給先の選択、決定および実行に際しては、後述のように、コンセント９からの機器情報の入手、その解析、機器の特定、スイッチ８の制御によって行われる。詳しくは、図５を参照して後述する。

また、コントローラ６は、コンセント９単位毎に、コントローラ６の制御信号６ａと別系統の強制オン信号６ｂを生成し、スイッチ８を制御する。これにより、消費電力総量等を考慮しない、別の優先順位、プログラム等にもとづく別系統の通電制御が可能になる。

コンセント９は、各施設、機器が電気的に接続され、それらに電気を供給するとともに、電力使用総量の基礎になる各施設、機器消費電力量の実測値、及び各施設、機器から得られる単位時間当たりの電気消費量変化のアナログ値である消費電力波形７ｆを、内蔵する回路９ａでデジタル信号９ｂに変換し、電力線１０を介してコントローラ６に電力線通信（ＰＬＣ）原理で送信する。このコンセント９の処理は、継続的に行われ、機器７ｄの脱着も常時観察している。単位時間当たりの電気消費量変化のサンプリングは、その機器の特徴を使用電力パターンとして取得する必要があるため、一例として、１０ｋＨｚ程度の高い周波数で実施される。これにより、機器の移動使用の自由度が増す。

また、コンセント９は、各施設、機器消費電力量の実測値を内蔵する電力メータ９ｃで測定し、測定された実測値はデジタル信号に変換され、インターネット形式でコントローラ６に送られる。各コンセント９が、機器等の消費電力を個別に実測するので、機器の移動の自由度が増す。

スイッチ８は、コントローラ６とコンセント９の間に介在し、コントローラ６の制御信号６ａに基づき、コンセント６から各施設、機器への通電のオンオフを実施する。

このようにして構成される、電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステム１では、コントローラ６が、電力供給先を選択、決定するに際して、先ず、コンセント９から得られた、消費電力波形のデジタル信号９ｂと予めコントローラ６に格納されている消費電力波形のデジタル情報と比較、解析して、各施設、機器を特定する。続いて、コントローラ６は、各施設、機器の特定結果及び予めコントローラ６に格納されている判断基準に基づき、最大電力発電量の範囲内で電力供給先を選択、決定する。

判断基準としては、設備、機器間で予め決められた、施設における機能維持の必要性、重要性の観点から順位付けされた優先順位データ、およびピーク電力消費量などがある。ピーク電力消費量を基準とする理由は、最大電力発電量内で全機器を運転できるなどを判断するためである。

本発明による電気供給について説明する。図２に示すように、通常時の稼働状態では、商用電源２及びコジェネ独立発電装置３から電力線１０を介して、各施設７へ、さらにコンセント９から機器に発電電気が供給（白抜き矢印）される。また、フライホイール４へも発電電力が供給され、電力を回転エネルギーへ変換して保持し、緊急時にフライホイール４の回転エネルギーを第二発電機５により電気に変換する。フライホイール４であれば、瞬間的な負荷変動の吸収能力が高いため、従来の蓄電池のような、サージ電流による機器の破損を抑止できる利点がある。

特に、近年の施設では情報インフラとしてＬｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ（ＬＡＮ）ケーブルが敷設されていることが多く、停電と復電に伴って発生するサージ電流に起因すると考えられるスイッチ破損現象が確認されているため、サージ電流の抑止は情報化社会においてより重要であると考えられる。

図３は、商用電力２が停止した場合では、継続してコジェネ独立発電装置３が発電し、さらに商用電力２の停止と同時にフライホイール４の回転軸４ａと連結された第二発電機５が瞬時に負荷出力を発生させ、回転（右矢印）で、商用電力２の発電量相当を発電し、補い、コジェネ独立発電装置３の発電電力とともに、各施設７、機器に電力供給する。これにより、商用電源２から供給されていたときと同じ電気量を賄うことができる。商用電力２の発電量を、フライホイール４による第二発電機が補えないときは、スイッチ８をオフ（×印）し、コンセント９から施設、機器への供給を止める（黒塗りコンセント９）。

図４は、商用電力２と同じくして、或いは後に、コジェネ独立発電装置３も停止した場合を表している。図２の状況で、さらにコジェネ独立発電装置３の発電量も減少することから、各施設７では、図２に加えて、コントローラ６が、スイッチ８をオフ（×印）して、コンセント９から施設、機器への電力供給を停止（黒塗りコンセント９）し、消費電気総量を、発電総量以下に抑制している。

コントローラ６による電力供給先を選択、決定し、実行する方法について、詳しく説明する。
図５に示すように、コンセント９の回路９ａは、機器７ｄから単位時間当たりの電気消費量変化のアナログ値（消費電力波形７ｆ）を取得し、デジタル信号９ｂに変換し、電力線１０を介してコントローラ６にＰＬＣ原理で送信する。

コントローラ６では、予めコントローラ６に格納されている機器毎の消費電力波形７ｆに相当するデジタル情報と比較して、コンセント９から送られてきたデジタル信号９ｂに接続されている機器７ｄをどのような機器であるか特定する。そして、予めコントローラ６に格納されている判断基準に基づき、通電するか、否か判断する。

従来技術に基づく既存の電力モニタリング装置では、電力のモニタ速度が秒単位であり、接続された機器の特徴を十分に把握できるだけの情報が得られていない。本発明では、サンプリング周波数を１０ｋＨｚ程度に高めることで、接続機器の特徴を示す消費電力波形のデジタル情報を取得することができる。

さらに、測定された消費電力波形のデジタル情報を、情報専用ケーブルで送信せず、電力線自体を用いて送信する方式により、災害時におけるネットワークハブの電力喪失などに伴う情報送信能力喪失を防止することができる。

消費電力波形のデジタル情報を周波数分布などに変換したものなどである電力消費パターンは、例えＡＣアダプタが電力部の入り口であったとしても、ノイズ発生周期や電力消費パターンには大きな個体差があることが予備実験で明らかになっており、稼働時の電力消費パターンの違いを含め、十分な精度で識別可能である。

さらに、電力消費パターンを取得できることで、起動直後にのみ高い電力消費パターンを示すような誘導性負荷を示す機器について、電力測定を伴いながら起動することで、よりサージの少ない建物内における個別機器単位での電力起動制御が可能になり、医療機器の健全性を維持することができる。

電力測定を伴いながら起動することで、医療機器の健全性が維持できる理由を以下説明する。身近にある誘導性負荷を示す機器として、冷蔵庫や冷凍庫のコンプレッサーが挙げられる。例えば、冷凍機のコンプレッサーなどは、電源が投入された直後に、定常運転状態の５−１０倍の電力消費することがある。したがって、建物全体が通電状態の時よりも、停電後に一斉に電源投入されると、電源への電力消費負荷が高くなることが知られている。

また、停電後に、電力復旧が複数の建物にわたって行われる場合に、１棟ずつ電源を投入し、定常状態になるのを待ち、次の棟の電源を投入という作業手順を取ると、電源が投入される順序が遅い建物に対しては、数分以上の電力喪失が生じることになる。

ここで、一つの建物の中であっても、各コンセント単位での電源ＯＮ／ＯＦＦ制御ができれば、わずかずつでも起動時間をずらしながら冷凍機等を起動でき、特定の建物での復電遅延を縮めることが可能になる。その結果、サージ電流を抑制して、医療機器の故障を予防することができ、機器を健全に維持することができることとなる。

判断基準としては、予め設定された優先順位データに従い、最大電力発電量の範囲内で電力供給先を選択、決定する。その決定は、コントローラ６が、スイッチ８の制御信号６ａとして、回路９ａに送る。回路９ａは、制御信号６ａ（通電のオンオフ指令）に基づき、スイッチ８のオンオフを制御するオンオフ信号８ａを生成し、スイッチ８に送る。

スイッチ８は、オンオフ信号８ａに基づき、通電、遮断位置に位置し、プラグ７ｅを介して接続する機器７ｄへの通電を制御する。スイッチ８の制御としては、機器７ｄへ通電がされていれば通電継続または遮断、通電されていなければ通電又は遮断継続となる。

の電力使用量の総量を算出する。コンセント６に接続する機器７ｄの消費電力量は、コンセント６に内蔵される電力メータ９ｃで実測され、回路９ａへ送られ、消費電力データ９ｄとして、コントローラ６に出力される。

そして、
１）停電時、現在時点の発電量＜電力使用総量のとき
機器での消費電力量が、最大電力発電量の範囲内になるよう、優先順位データに基づき、通電機器への通電をスイッチ８のオフにより間引く。
２）停電時、現在時点の発電量＞電力使用総量のとき
現状維持又はバックアップ電源として長時間使用するため、不要不急の機器はオフし、非常用電力および外部通信用電力のみ供給するような設定に基づき制御してもよい。

また、コンセント９ごとに、コントローラ６の制御信号６ａと別系統の強制オン信号１１ａを生成し、スイッチ８を通電状態に制御する強制ＯＮスイッチ１１を備える。消費電力総量等を考慮しない、別の優先順位、プログラム等にもとづく別系統の通電制御が可能になる。

強制ＯＮスイッチ１１を使用する場合としては、例えば、非常時に初めて持ち込まれた装置で、コントローラ６が機器を識別できないが、非常時運用に不可欠であると現場で判断された機器を稼働させる場合や、通常であれば優先順位が低い装置であるが、特段の事情により稼働させなければならないと現場で判断された機器を稼働させる場合などがある。強制ＯＮスイッチ１１を操作する手段としては、人の手による押圧が例示できる。

図６に示すように、商用電力２、コジェネ独立発電装置３が停止していくにしたがって、電力の総発電量（総供給量）が変化（減少）していくなかで、刻々と変化する、使用機材、使用場所、その他外的環境変化などを考慮して、電気供給、需要量のバランスを取りながら、無停電で、発電量を有効かつ、各ステージで優先順位の高い給電を実現する。

具体的には、図６を参照して説明する。図６には、左から、図２の状況、図３の状況、図４の状況、さらに右側にフライホイール４が停止した場合のコジェネ独立発電装置３だけの発電時の発電量、電力消費量等を示した。縦軸が発電量、横軸が通常から停電、停電が継続する時間である。

電力発電量は、いずれの状況でも着色領域にて示した。また、実測した電気の全消費量は破線で示した。他方、通常であれば見込まれる電気の消費電力量を点線で示した。

図２の通常時の設備、機器の稼働状況においては、商用電力２とコジェネ独立発電装置３３とで要求に応じた発電量を賄っている。そして、電気の全消費量は、最大電力発電量の範囲内（着色域内）にある。

ホイール４による発電のみになる。その結果、発電総量が通常時の見込み全消費量を下回ることになる。そこで、コントロール６、コンセント９が協同して、予め設定された判断基準、現状に基づき、通電機器を選択、決定し、通電を制御して、消費電力を最大発電量以下になるよう、間引運転をする。同様に、コジェネ独立発電装置３だけの発電であっても、消費電力を最大発電量以下になるよう、間引運転をして、全館、全装置の電力停止を防止するとともに、有限の発電電力を有効活用する。

１ 電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステム
２ 商用電力
３ コジェネ独立発電装置
３ａ エンジン
３ｂ 第一発電機
３ｃ 排熱
４ フライホイール
４ａ 回転軸
５ 第二発電機
６ コントローラ
６ａ 制御信号
７ 各施設
７ａ 手術室
７ｂ 検査ルーム
７ｃ 事務所
７ｄ 機器
７ｅ プラグ
７ｆ 消費電力波形
８ スイッチ
８ａ オンオフ信号
９ コンセント
９ａ 回路
９ｂ デジタル信号
９ｃ 電力メータ
９ｄ 消費電力データ
１０ 電力線
１０ａ 混合器
１０ｂ 混合器
１１ 強制ＯＮスイッチ
１１ａ 強制オン信号

本発明はコジェネレーションを備える施設において、商用電力停止時に、電力供給量、需要量変化、様々な災害レベルに応じた適切な電力供給手段、すなわち、有限な電力を必要なところに必要なだけ給し、電力を効率的に配分する、電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステムに関する。
より詳しくは、特に、大量電力消費施設、例えば病院などの大型施設に特に効果的で、商用電力と、商用電力から独立して駆動する施設専用などの独自発電装置とを施設の通常時電源とし、かつ、商用電力を電力需要変動追随電源とし、独立発電装置はベース電源であって排熱等のエネルギーも利用する独立発電装置（コジェネ独立発電装置）を備える施設において、自然災害等で、商用電力の供給が停止した場合のベース電源の有効利用、すなわち商用電力停止時に供給可能な電力を無駄なくかつ優先順に従って配分するよう管理する、電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステムに関する。

本発明は、上記課題を解決するために、
（１）
停電しておらず所望の電力を得られる状態の通常時に、各施設、機器の電力需要変動に追随して電力線を介して前記各施設、機器に電力供給する商用電力と、
前記商用電力に電気的に並列に接続される第一発電機と前記第一発電機を駆動するエンジンとからなり、前記商用電力の供給を受けることなく独立して発電するとともに、前記エンジン駆動に伴う排エネルギーが利用されるコジェネ独立発電装置と、
前記商用電力に電気的に並列に接続され、前記通常時に前記商用電力及び／又は前記コジェネ独立発電装置の電力で回転保持して電力を回転エネルギーとして蓄積するフライホイールと、
前記商用電力の停電時に前記フライホイールの回転で発電し、前記各施設、機器に前記電力線を介して電力供給する第二発電機と、
前記第一、第二発電機と各施設、機器を繋ぐ電力線に介在し、前記商用電力の停電時に、最大電力発電量と前記各施設、機器の電力使用総量を比較し、前記最大電力発電量の範囲内で電力供給先を選択、決定し、実行するための制御信号を生成するコントローラと、
前記各施設、機器が電気的に接続され、それらに電気を供給するとともに、前記電力使用総量の基礎になる前記各施設、機器消費電力量の実測値、及び前記各施設、機器から得られる単位時間当たりの電気消費量変化のアナログ値である消費電力波形を、デジタル信号に変換し、前記電力線を介して前記コントローラに電力線通信（Ｐｏｗｅｒ Ｌｉｎｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ＰＬＣ）原理で送信するコンセントと、
前記コントローラと前記コンセントの間に介在し、前記コントローラの前記制御信号に基づき、前記コンセントから前記各施設、機器への通電のオンオフを実施するスイッチと、
からなり、
前記コントローラが、
前記電力供給先を選択、決定するに際して、前記コンセントから得られた、前記消費電力波形のデジタル信号と予め前記コントローラに格納されている消費電力波形のデジタル情報と比較して、前記各施設、機器を特定し、
さらに、
前記各施設、機器の特定結果及び前記コントローラに予め格納されている判断基準に基づき、前記最大電力発電量の範囲内で電力供給先を選択、決定することを特徴とする
電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステム。
（２）
前記判断基準が、設備、機器間で予め決められた優先順位であることを特徴とする（１）に記載の電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステム。
（３）
前記デジタル信号が、前記各施設、機器の周波数分布の電力消費パターンであって、前記コントローラが前記電力消費パターンに基づき前記各施設、機器を特定することによって、前記商用電力の停電時の電力優先経路を動的に決定することを特徴とする（１）に記載の電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステム。
（４）
前記コンセントごとに、前記コントローラの前記制御信号と別系統の強制オン信号を生成し、前記スイッチを通電状態に制御する強制ＯＮスイッチを備えることを特徴とする（１）に記載の電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステム。
（５）
前記フライホイールの回転軸が、重力方向と一致していることを特徴とする（１）に記載の電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステム。
の構成とした。

コントローラ６は、図５にも示すように、第一、第二発電機３ｂ、５と各施設７、機器を繋ぐ電力線１０に介在し、商用電力の停電時に、最大電力発電量（例えば、コジェネ独立発電装置３及び／又はフライホイール４による第二発電機５の発電総量）と各施設７、機器の電力使用総量を比較し、機器の種類を特定した情報に基づき最大電力発電量の範囲内で電力供給先を選択、決定し、実行するための制御信号を生成する。

本発明による電気供給について説明する。図２に示すように、通常時の稼働状態では、商用電力２及びコジェネ独立発電装置３から電力線１０を介して、各施設７へ、さらにコンセント９から機器に発電電気が供給（白抜き矢印）される。また、フライホイール４へも発電電力が供給され、電力を回転エネルギーへ変換して保持し、緊急時にフライホイール４の回転エネルギーを第二発電機５により電気に変換する。フライホイール４であれば、瞬間的な負荷変動の吸収能力が高いため、従来の蓄電池のような、サージ電流による機器の破損を抑止できる利点がある。

図３は、商用電力２が停止した場合では、継続してコジェネ独立発電装置３が発電し、さらに商用電力２の停止と同時にフライホイール４の回転軸４ａと連結された第二発電機５が瞬時に負荷出力を発生させ、回転（右矢印）で、商用電力２の発電量相当を発電し、補い、コジェネ独立発電装置３の発電電力とともに、各施設７、機器に電力供給する。これにより、商用電力２から供給されていたときと同じ電気量を賄うことができる。商用電力２の発電量を、フライホイール４による第二発電機が補えないときは、スイッチ８をオフ（×印）し、コンセント９から施設、機器への供給を止める（黒塗りコンセント９）。

Claims (5)

1. 停電しておらず所望の電力を得られる状態の通常時に、各施設、機器の電力需要変動に追随して電力線を介して前記各施設、機器に電力供給する商用電力と、
   前記商用電力に電気的に並列に接続される第一発電機と前記第一発電機を駆動するエンジンとからなり、前記商用電力の供給を受けることなく独立して発電するとともに、前記エンジン駆動に伴う排エネルギーが利用されるコジェネ独立発電装置と、
   前記商用電力に電気的に並列に接続され、前記通常時に前記商用電力及び／又は前記コジェネ独立発電装置の電力で回転保持して電力を回転エネルギーとして蓄積するフライホイールと、
   前記商用電力の停電時に前記フライホイールの回転で発電し、前記各施設、機器に前記電力線を介して電力供給する第二発電機と、
   前記第一、第二発電機と各施設、機器を繋ぐ電力線に介在し、前記商用電源の停電時に、最大電力発電量と前記各施設、機器の電力使用総量を比較し、前記最大電力発電量の範囲内で電力供給先を選択、決定し、実行するための制御信号を生成するコントローラと、
   前記各施設、機器が電気的に接続され、それらに電気を供給するとともに、前記電力使用総量の基礎になる前記各施設、機器消費電力量の実測値、及び前記各施設、機器から得られる単位時間当たりの電気消費量変化のアナログ値である消費電力波形を、デジタル信号に変換し、前記電力線を介して前記コントローラに電力線通信原理で送信するコンセントと、
   前記コントローラと前記コンセントの間に介在し、前記コントローラの前記制御信号に基づき、前記コンセントから前記各施設、機器への通電のオンオフを実施するスイッチと、
   からなり、
   前記コントローラが、
   前記電力供給先を選択、決定するに際して、前記コンセントから得られた、前記消費電力波形のデジタル信号と予め前記コントローラに格納されている消費電力波形のデジタル情報と比較して、前記各施設、機器を特定し、
   さらに、
   前記各施設、機器の特定結果及び前記コントローラに予め格納されている判断基準に基づき、前記最大電力発電量の範囲内で電力供給先を選択、決定することを特徴とする
   電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステム。
2. 前記判断基準が、設備、機器間で予め決められた優先順位であることを特徴とする請求項１に記載の電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステム。
3. 前記各施設、機器消費電力量の実測値が、前記コンセントが電力消費パターンを実測して機器特定することによって非常時の電力優先経路を動的に決定することを特徴とする請求項１に記載の電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステム。
4. 前記コンセントごとに、前記コントローラの前記制御信号と別系統の強制オン信号を生成し、前記スイッチを通電状態に制御する強制ＯＮスイッチを備えることを特徴とする請求項１に記載の電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステム。
5. 前記フライホイールの回転軸が、重力方向と一致していることを特徴とする請求項１に記載の電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステム。