JP2020043085A - 熱電併給システム - Google Patents

Abstract

【課題】蓄熱装置の満蓄状態の発生を抑制できる熱電併給システムを提供する。【解決手段】電力変換部１１は、半導体素子で構成されるスイッチング素子を有するスイッチング回路部と、コイルを有する平滑化回路部とを備え、熱電併給システムが備える制御装置Ｃは、熱電併給部１２の発電電力が過剰になる電力過剰条件が満たされないと判定したとき、所定のタイミングでスイッチング回路部が有する複数のスイッチング素子のスイッチングを行うことで、電力変換部１１による電力変換を行わせる通常損失運転を行わせ、電力過剰条件が満たされると判定したとき、スイッチング素子のオンオフ回数が通常損失運転が行われるときよりも少なくなることで電力変換部１１の平滑化回路部での損失が大きくなるタイミングで複数のスイッチング素子のスイッチングを行うことで、電力変換部１１による電力変換を行わせる大損失運転を行わせる。【選択図】図１

Description

本発明は、熱と電気とを併せて発生させる熱電併給部及び電力変換部を有する熱電併給装置と、蓄熱装置と、熱電併給装置の出力電力を消費可能な電気ヒーター装置とを備える熱電併給システムに関する。

特許文献１には、熱と電気とを併せて発生させる熱電併給装置と、蓄熱装置と、熱電併給装置の出力電力を消費可能な電気ヒーター装置とを備える熱電併給システムが記載されている。熱電併給装置で発生した電気は電力消費装置に供給され、熱電併給装置で発生した熱は蓄熱装置に蓄えられる、或いは、熱消費装置に供給される。

熱に関して説明すると、熱電併給装置と蓄熱装置との間で熱媒を循環させて、その熱媒によって熱電併給装置から回収した熱を蓄熱装置で蓄えるという方式が採用される。つまり、その場合の熱媒は、熱電併給装置から熱を回収する役割と、熱電併給装置を冷却する役割とを担っている。従って、蓄熱装置で既に蓄えられている熱量が多くなると、熱電併給装置へと供給される熱媒の温度が高くなる。そして、熱電併給装置へ供給する熱媒の温度が高くなると、熱電併給装置を十分に冷却できないという問題が生じる。そのため、蓄熱装置の蓄熱量が多くなり過ぎると、熱電併給装置の運転を停止しなければならないという問題が生じる。

特開２０１５−０７３３６７号公報（段落００６０、図６など）

熱電併給装置は出力が大きい方が運転メリットは大きくなるため、可能ならば大きな出力で運転させることが好ましい。熱電併給装置で発生する熱量が多くなると、熱媒によって回収されて蓄熱装置に新たに蓄えられる熱量も増える。また、発生する電力が大きくなると、電力消費装置で消費できなかった余剰電力が発生することもある。その場合、電気ヒーター装置で消費して、その熱を蓄熱装置に新たに蓄えることになる。そして、蓄熱装置に蓄えられている熱量が増え過ぎて上限値に達すると（即ち、満蓄状態になると）、熱電併給装置の運転を停止せざるを得なくなるという問題が生じる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、蓄熱装置の満蓄状態の発生を抑制できる熱電併給システムを提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る熱電併給システムの特徴構成は、熱と電気とを併せて発生させる熱電併給部、及び、複数の半導体素子のスイッチングにより前記熱電併給部の発電電力を所望の電力に変換して出力する電力変換部を有する熱電併給装置と、蓄熱装置と、前記熱電併給装置の出力電力を消費可能な電気ヒーター装置と、制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記熱電併給装置を運転しているとき、前記熱電併給装置と前記蓄熱装置との間で熱媒を循環させながら、前記熱電併給装置で発生された熱の回収と、前記蓄熱装置への蓄熱とを行わせ、
前記熱電併給装置の電力系統への連系運転時には電力消費装置に対して前記電力系統及び前記熱電併給装置の少なくとも何れか一方から電力を供給し、前記熱電併給装置の自立運転時には前記電力消費装置に対して前記熱電併給装置から電力を供給し、
前記熱電併給装置の出力電力が前記電力消費装置の消費電力よりも大きくなるときに生じる余剰電力を前記電気ヒーター装置で消費させて、当該電気ヒーター装置で発生する熱を前記熱媒に伝達して前記蓄熱装置に蓄えさせる熱電併給システムであって、
前記制御装置は、
前記熱電併給部の発電電力が過剰になる電力過剰条件が満たされないと判定したとき、所定のタイミングで前記複数の半導体素子のスイッチングを行うことで、前記電力変換部による電力変換を行わせる通常損失運転を行わせ、
前記電力過剰条件が満たされると判定したとき、前記通常損失運転が行われるときよりも前記電力変換部での損失が大きくなるタイミングで前記複数の半導体素子のスイッチングを行うことで、前記電力変換部による電力変換を行わせる大損失運転を行わせる点にある。

上記特徴構成によれば、制御装置は、熱電併給部の発電電力が過剰になる電力過剰条件が満たされると判定したとき、通常損失運転が行われるときよりも電力変換部での損失が大きくなるタイミングで複数の半導体素子のスイッチングを行う大損失運転により、電力変換部で消費される電力を相対的に大きくする。これに対して、制御装置は、熱電併給部の発電電力が過剰になる電力過剰条件が満たされないと判定したとき、所定のタイミングで複数の半導体素子のスイッチングを行う通常損失運転により、電力変換部で消費される電力を相対的に小さくする。つまり、熱電併給装置が有する熱電併給部の発電電力が同じであっても、熱電併給装置の出力電力（即ち、電力変換部による電力変換後の出力電力）は、大損失運転が行われたときの方が、通常損失運転が行われたときよりも小さくなる。
このように、制御装置は、熱電併給装置から出力される出力電力の大きさを、その熱電併給装置の内部の電力変換部によって減少させることで、熱電併給装置の出力電力の少なくとも一部を消費するため電気ヒーター装置の消費電力、即ち、電気ヒーター装置での発熱量を少なくすることができる。その結果、蓄熱装置に蓄える熱量が増え過ぎることを回避できる。
従って、蓄熱装置の満蓄の発生を抑制できる熱電併給システムを提供できる。

本発明に係る熱電併給システムの別の特徴構成は、前記制御装置は、前記通常損失運転が行われたときの前記熱電併給装置の出力電力に余剰が発生するとき、前記電力過剰条件が満たされると判定し、前記通常損失運転が行われたときの前記熱電併給装置の出力電力に余剰が発生しないとき、前記電力過剰条件が満たされないと判定する点にある。

上記特徴構成によれば、通常損失運転が行われたときの熱電併給装置の出力電力に余剰が発生するとき、熱電併給装置が有する電力変換部での損失が大きくなるような大損失運転が行われる。つまり、通常損失運転が行われたときの熱電併給装置の出力電力に余剰が発生するとしても、大損失運転を行って電力変換部での損失を大きくすることで、熱電併給装置の出力電力を減少させることができる。

本発明に係る熱電併給システムの更に別の特徴構成は、前記電力変換部の温度を調節する温度調節部を備え、前記制御装置は、前記電力過剰条件が満たされると判定したとき、前記電力変換部の温度が、前記電力過剰条件が満たされないと判定したときよりも高い温度になるように前記温度調節部を動作させる点にある。

上記特徴構成によれば、制御装置は、電力過剰条件が満たされると判定したときの電力変換部の温度を、電力過剰条件が満たされないと判定したときよりも高い温度になるように温度調節部を動作させる。つまり、電力過剰条件が満たされるときの電力変換部の電気抵抗が大きくなるので、電力変換部での損失を大きくすることができる。

本発明に係る熱電併給システムの更に別の特徴構成は、前記熱電併給部で発電された電力を消費可能な消費部を備え、前記制御装置は、前記電力過剰条件が満たされると判定したとき、前記消費部での消費電力を上昇させる点にある。

上記特徴構成によれば、制御装置は、電力過剰条件が満たされると判定したとき、消費部での消費電力を上昇させることで、熱電併給装置の出力電力に余剰を発生させ難くできる。つまり、電気ヒーター装置での消費電力を小さくすることができる。

熱電併給システムの構成を示す図である。 電力変換部の構成を示す図である。 発電ユニット及び排熱回収ユニットの構成を示す図である。 電力変換部の出力波形例を示す図である。 電力変換部の出力波形例を示す図である。 電力変換部の出力波形例を示す図である。

＜第１実施形態＞
以下に図面を参照して本発明の第１実施形態に係る熱電併給システムについて説明する。
図１は、熱電併給システムの構成を示す図である。図２は、電力変換部の構成を示す図である。図３は、発電ユニット及び排熱回収ユニットの構成を示す図である。図示するように、熱電併給システムは、発電ユニット１０（本発明の熱電併給装置の一例）と、蓄熱装置２１と、余剰電力消費用ヒーター２２（本発明の電気ヒーター装置の一例）と、制御装置Ｃとを備える。発電ユニット１０は、熱と電気とを併せて発生させる燃料電池部１２（本発明の熱電併給部の一例）、及び、複数の半導体素子のスイッチングにより燃料電池部１２の発電電力を所望の電力（例えば、所望の電圧、周波数、位相など）に変換して出力する電力変換部１１を有する。

〔発電ユニット〕
本実施形態において、熱電併給部としての燃料電池部１２は、水素などの燃料ガスが供給される燃料極３３と酸素が供給される空気極３２とを有するセルが複数個積層されたセルスタックを有して構成される。燃料電池部１２は、固体高分子形のセルや固体酸化物形のセルなど、様々なタイプのセルを用いて構成することができる。また、本実施形態の発電ユニット１０は、燃料電池部１２に対して、炭化水素等の水蒸気改質によって生成した燃料ガス（水素等）を供給するための燃料改質部１３を併せて備えている。

燃料電池部１２の発電電力は、インバータを有する、或いは、コンバータ及びインバータ等を有する電力変換部１１を介して連系電力線４及び自立電力線５の何れか一方に出力される。尚、以下の説明では、燃料電池部１２から出力される電力のことを発電電力と記載し、発電ユニット１０から出力される電力のことを出力電力と記載する。電力変換部１１から連系電力線４に出力電力が供給されている状態は、発電ユニット１０が連系運転を行っている状態であると言える。これに対して、電力変換部１１から自立電力線５に出力電力が供給されている状態は、発電ユニット１０が自立運転を行っている状態であると言える。また、連系電力線４は、電力系統１に接続される交流線２に対して接続され、その交流線２は切替スイッチ６に接続されている。自立電力線５は切替スイッチ６に対して上記交流線２とは別に接続されている。切替スイッチ６は、排熱回収ユニット２０にとっての電力供給元を、交流線２を介して供給される電力、及び、自立電力線５を介して供給される電力の何れかに切り替えるように動作する。この切替スイッチ６の動作は、制御装置Ｃによって制御されてもよいし、発電ユニット１０からの電力供給先の変更（即ち、自立電力線５を介した電力供給の有無）に応じて自動的に切替スイッチ６が動作するような構成であってもよい。

図２に示すように、電力変換部１１は、スイッチング回路部１１ａと平滑化回路部１１ｂとを有する。制御装置Ｃは、スイッチング回路部１１ａが有するスイッチング素子のオンタイミング及びオフタイミングを制御して、平滑化回路部１１ｂへ出力される矩形波の波形を調節する。平滑化回路部１１ｂでは、スイッチング回路部１１ａで得られた矩形波が平滑化されて、目標波形に近い波形の電力が得られる。

制御装置Ｃは、電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われる正常状態になると交流線２に発電ユニット１０の出力電力を供給する連系運転を行い、電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われない異常状態になると電力系統１から電気的に切り離された自立電力線５に発電ユニット１０の出力電力を供給する自立運転を行うように構成されている。本実施形態では、制御装置Ｃは、電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われる正常状態であるか、或いは、電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われない異常状態であるかを、例えば、計器用変圧器ＶＴで検出される交流線２の電圧を参照して判定する。つまり、制御装置Ｃは、検出された電圧値が設定下限電圧以上であれば電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われている正常状態であると判定し、検出された電圧値が設定下限電圧未満であれば電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われていない異常状態であると判定する。

このようにして、制御装置Ｃは、発電ユニット１０の電力系統１への連系運転時には電力消費装置に対して電力系統１及び発電ユニット１０の少なくとも何れか一方から電力を供給し、発電ユニット１０の自立運転時には電力消費装置に対して発電ユニット１０から電力を供給する。連系運転時における上記電力消費装置には、交流線２に接続されている一般電力負荷装置３と排熱回収ユニット２０とが含まれる。これに対して、自立運転時における上記電力消費装置には、自立負荷装置９と排熱回収ユニット２０とが含まれる。

尚、発電ユニット１０の出力電力が自立電力線５に供給されている自立運転時において、自立運転の一形態としての発電ユニット１０のアイドリング運転が行われることもある。具体的には、制御装置Ｃは、発電ユニット１０の出力電力を自立電力線５に供給させている状態において、計器用変流器ＣＴ２で計測される電力消費装置（自立負荷装置９及び排熱回収ユニット２０）の消費電力が、発電ユニット１０の出力電力よりも大きくなると、開閉器１６を一時的に開放させて、自立負荷装置９への電力供給を一時的に停止させるようなアイドリング運転を行うこともある。

〔排熱回収ユニット〕
排熱回収ユニット２０は、発電ユニット１０からの排熱を回収するように構成されている。例えば、排熱回収ユニット２０は、発電ユニット１０の燃料電池部１２を運転しているとき、発電ユニット１０と蓄熱装置２１との間で熱媒としての湯水を循環させながら、発電ユニット１０で発生された熱の回収と、貯湯タンク２１（本発明の蓄熱装置の一例）への蓄熱とを行わせるように構成されている。そのため、排熱回収ユニット２０は、熱を蓄えるための貯湯タンク２１、及び、冷却水やその冷却水と熱交換する熱媒の循環路や、その熱媒の循環路の途中に設けられて熱媒を流動させるための電動式ポンプ及び電磁弁などの付属機器２３で構成される。従って、排熱回収ユニット２０では、燃料電池部１２のセルスタックを冷却するために、発電ユニット１０の連系運転が行われている間及び自立運転が行なわれている間の何れにおいても、排熱を回収する運転を行う必要があり、その結果として上記付属機器２３において電力が消費されることになる。排熱回収ユニット２０への電力供給は、切替スイッチ６に接続される内部電力線１７を介して行われる。

図１に示すシステムでは、一般電力負荷装置３及び自立負荷装置９を記載している。一般電力負荷装置３は、電力系統１と接続される交流線２に対して電気的に接続されている。従って、一般電力負荷装置３は、電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われる正常状態においては電力の供給を受けることができるが、電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われていない異常状態においては電力の供給を受けることができない。従って、本実施形態で言う一般電力負荷装置３は、異常状態において電力の供給を受ける必要性が低い装置（例えば、一部の照明装置など）である。

これに対して、自立負荷装置９は、後述するように、電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われない異常状態において発電ユニット１０から電力の供給を受けることができる。自立負荷装置９に電力が供給されるのは、自立電力線５を経由して電気コンセント７に対して電力が供給され、且つ、電気コンセント７に対して電気プラグ８が接続されているときである。自立負荷装置９は、使用者が電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われない異常状態においても利用したいと考える重要度の高い装置（例えば、一部の照明機器、冷蔵庫など）である。

図３は、発電ユニット１０及び排熱回収ユニット２０の構成を示す図である。
発電ユニット１０の主要な構成部分として、燃料改質部１３と燃料電池部１２とがある。
燃料改質部１３では、原燃料流路Ｌ１を通って改質器３０へ原燃料が供給され、改質器３０で生成された改質ガスが改質ガス流路Ｌ２を通って燃料電池部１２の燃料極３３に供給される。燃料電池部１２の空気極３２には、発電用空気流路Ｌ８を通って酸素（空気）が供給される。そして、燃料電池部１２で発電が行われる。
空気極３２に供給する酸素の量は、制御装置ＣがブロアＢ２の動作を制御することで調節される。

燃料電池部１２は電解質膜（図示せず）を燃料極３３及び空気極３２で挟んで構成されるセルを複数積層して備える。尚、図３中では簡略化のため単一のセルのみを記載している。また、燃料電池部１２は、発電時に発生する熱を回収することで燃料電池部１２を冷却する冷却部３４を備える。本実施形態では水冷式の冷却部３４を設けている。具体的には、この冷却部３４には後述する電池冷却水流路Ｌ６を循環する水（以下、「回収水」と記載する）が供給されて、燃料電池部１２の冷却が行われる。冷却部３４を通過することで温度が上昇した回収水は、電池冷却水流路Ｌ６の途中に設けられた排熱回収用熱交換器３８に流入する。詳細は後述するが、この排熱回収用熱交換器３８において、回収水は、排熱回収流路Ｌ１０を流れる湯水と熱交換して燃料電池部１２から回収した排熱をその湯水に渡す。湯水は、蓄熱装置としての貯湯タンク２１に貯えられ、そこで蓄熱が行われる。
冷却部３４を流れる回収水の量は、制御装置ＣがポンプＰ４の動作を制御することで調節される。

改質器３０には、炭化水素を含む原燃料（例えば、メタンを含む都市ガスなど）が供給される。また、蒸気生成器４１には、後述する電池冷却水タンク３５で貯えられる回収水が改質用水流路Ｌ１３を通ってポンプＰ６によって供給され、そして、改質器３０には、蒸気生成器４１で生成された水蒸気が改質用水流路Ｌ１３を通って供給される。改質器３０は、併設される燃焼室３１から与えられる燃焼熱を利用して、原燃料の水蒸気改質を行う。改質器３０での水蒸気改質により得られた水素を主成分とする燃料ガスは、改質ガス流路Ｌ２を介して燃料極３３に供給される。
改質器３０に供給する原燃料の量は、制御装置ＣがブロアＢ３の動作を制御することで調節され、及び、改質器３０に供給する水蒸気の量は、制御装置ＣがポンプＰ６の動作を制御することで調節され、それにより燃料極３３に供給される改質ガスの量が調節される。

燃料極３３では、供給された全ての燃料ガスが発電反応で消費される訳ではない。そのため、燃料極３３から排出される燃料極排ガスの中には水素等の燃料ガスの成分が残存している。そこで、燃焼室３１での燃焼用ガスとして、燃料極排ガスを利用している。具体的には、燃料極３３から燃焼室３１へ、燃料極排ガス流路Ｌ３を介して燃料極排ガスを供給する。また、燃焼室３１での燃焼に利用される酸素が、燃焼用空気流路Ｌ９を通って燃焼室３１に供給される。そして、燃焼室３１で燃焼された後の燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路Ｌ４を介して外部に排出される。空気極３２で利用された後の空気極排ガスは、空気極排ガス流路Ｌ５を通って排出される。
燃焼室３１に供給する空気の量は、制御装置ＣがブロアＢ１の動作を制御することで調節される。

燃焼排ガス及び空気極排ガスには水分が含まれている。そのため、その水分を回収する目的で、燃焼排ガス流路Ｌ４及び空気極排ガス流路Ｌ５を複合熱交換器３９の部分で合流させ、且つ、燃焼排ガス及び空気極排ガスを冷却するための排熱回収流路Ｌ１０を複合熱交換器３９に通している。つまり、燃焼排ガス及び空気極排ガスに含まれる水分が、排熱回収流路Ｌ１０を流れる湯水によって複合熱交換器３９で冷却されて凝縮し、その凝縮水が回収水として回収水タンク３６へと回収される。

このように、回収水タンク３６に貯えられている回収水は、燃料極排ガス中に含まれていた水分や、燃焼排ガス中に含まれていた水分が混入しているため、電解質や水に溶解しない不純物などを含んでいることが想定される。そのため、回収水が、回収水流路Ｌ７の途中に設けられるイオン交換樹脂３７によって処理されるように構成してある。イオン交換樹脂３７で処理された後の回収水は、電池冷却水タンク３５で貯えられる。そして、上述したように、電池冷却水タンク３５から電池冷却水流路Ｌ６へと流れ出した回収水が冷却部３４へと供給され、及び、電池冷却水タンク３５から改質用水流路Ｌ１３へと流れ出した回収水が蒸気生成器４１へと供給される。
回収水流路Ｌ７を流れる回収水の量、即ち、イオン交換樹脂３７で処理される回収水の量は、制御装置ＣがポンプＰ３の動作を制御することで調節される。

排熱回収ユニット２０は、貯湯タンク２１に貯えている湯水が貯湯タンク２１と排熱回収用熱交換器３８との間で循環する排熱回収流路Ｌ１０を有する。具体的には、湯水が、貯湯タンク２１から、複合熱交換器３９と、排熱回収用熱交換器３８と、余剰電力消費用ヒーター２２とを経由して貯湯タンク２１に帰還するように排熱回収流路Ｌ１０が設けられている。その結果、排熱回収用熱交換器３８において回収水から回収した排熱（即ち、発電ユニット１０から回収した排熱）は、排熱回収流路Ｌ１０を流れる湯水に与えられ、その湯水は貯湯タンク２１に貯えられる。また、発電ユニット１０の出力電力のうちの余剰電力を消費する余剰電力消費用ヒーター２２で発生した熱も排熱回収流路Ｌ１０を流れる湯水に与えられ、その湯水は貯湯タンク２１に蓄えられる。排熱回収流路Ｌ１０における湯水の流速はポンプＰ２によって調整される。
排熱回収流路Ｌ１０を流れる湯水の量は、制御装置ＣがポンプＰ２の動作を制御することで調節される。

排熱回収ユニット２０が有する余剰電力消費用ヒーター２２の消費電力は、制御装置Ｃによって制御される。具体的には、制御装置Ｃは、発電ユニット１０の出力電力のうちの余剰電力を余剰電力消費用ヒーター２２で消費させて、余剰電力消費用ヒーター２２で発生する熱を排熱回収流路Ｌ１０を流れる湯水に伝達して貯湯タンク２１に蓄えさせる。例えば、制御装置Ｃは、計器用変流器ＣＴ１の検出結果に基づいて導出できる電力系統１からの受電電力がゼロ以上になるように、余剰電力消費用ヒーター２２の消費電力を調節する。このような制御が行われることで、発電ユニット１０から電力系統１への電力の逆潮流が発生しないようにできる。

排熱回収ユニット２０は、貯湯タンク２１に蓄えている湯水が熱源機４０を経由して熱負荷装置２４に供給されるときに流れる給湯路Ｌ１２を有する。図示は省略するが、熱源機４０は、送風ファンなどによって供給される酸素（空気）を用いて燃料を燃焼して熱を発生する装置である。また、排熱回収ユニット２０は、貯湯タンク２１に水を供給する給水路Ｌ１１を有する。給水路Ｌ１１は、分岐部２５で、貯湯タンク２１に接続される給水路Ｌ１１ａと貯湯タンク２１には接続されない給水路Ｌ１１ｂとに分岐する。給水路Ｌ１１ｂは、熱源機４０の上流側の合流部２７で給湯路Ｌ１２に接続される。更に、給水路Ｌ１１ｂの途中の分岐部２６で、熱源機４０の下流側に接続される給水路Ｌ１１ｃが分岐する。給水路Ｌ１１ｃは、熱源機４０の下流側の合流部２８で給湯路Ｌ１２に接続される。
このように、貯湯タンク２１から供給される湯及び熱源機４０で加熱された後の湯に水を加えることができる構成を採用することで、熱負荷装置２４に対して適切な温度の湯水を供給できる。尚、熱負荷装置２４が、湯水の熱のみを利用する床暖房装置などの場合、熱負荷装置２４で熱が利用された後の湯水は貯湯タンク２１に帰還する。或いは、熱負荷装置２４が、湯水自体を利用する給湯装置などの場合、貯湯タンク２１には湯水は帰還しない。熱源機４０は、熱負荷装置２４で要求される湯水を所定温度に昇温した上で熱負荷装置２４に供給する際に使用される。

以上のように、発電ユニット１０は、ブロアＢ１，Ｂ２，Ｂ３及びポンプＰ２，Ｐ３，Ｐ４などを付属機器１４として備えている。また、排熱回収ユニット２０は、熱源機４０の送風ファンなどを付属機器２３として備えている。

〔電力変換部の動作〕
本実施形態では、制御装置Ｃは、燃料電池部１２（熱電併給部）の発電電力が過剰になる電力過剰条件が満たされるか否かに応じて電力変換部１１の運転を切り替えるように構成されている。具体的には、制御装置Ｃは、電力過剰条件が満たされないと判定したとき、所定のタイミングで複数の半導体素子のスイッチングを行うことで、電力変換部１１による電力変換を行わせる通常損失運転を行わせる。これに対して、制御装置Ｃは、電力過剰条件が満たされると判定したとき、通常損失運転が行われるときよりも電力変換部１１での損失が大きくなるタイミングで複数の半導体素子のスイッチングを行うことで、電力変換部１１による電力変換を行わせる大損失運転を行わせる。

図４〜図６は、電力変換部１１の出力波形例を示す図である。具体的には、矩形波で示すのがスイッチング回路部１１ａからの出力であり、実線で示す正弦波が電力変換部１１からの出力の目標波形（平滑化回路部１１ｂによる平滑化後の目標波形）である。図４に示すのは、制御装置Ｃが電力変換部１１で通常損失運転による電力変換を行わせたときの出力波形例である。これに対して、図５及び図６は、制御装置Ｃが電力変換部１１で大損失運転による電力変換を行わせたときの出力波形例である。図５の例では、制御装置Ｃは、スイッチング素子のオンオフ回数を、図４に示す通常損失運転のときよりも多くしている。その結果、スイッチング回路部１１ａでのスイッチング損失が通常損失運転のときよりも大きくなる。また、図６の例では、制御装置Ｃは、スイッチング素子のオンオフ回数を、図４に示す通常損失運転のときよりも少なくしている。その結果、平滑化回路部１１ｂのコイルでの損失が通常損失運転のときよりも大きくなる。

このように、制御装置Ｃは、燃料電池部１２の発電出力は同じでも、電力変換部１１で通常損失運転による電力変換を行わせるのか、或いは、大損失運転による電力変換を行わせるのかを切り替えることで、発電ユニット１０の出力電力を異ならせることができる。

〔電力過剰条件〕
本実施形態では、電力過剰条件は、通常損失運転が行われたときの発電ユニット１０の出力電力に余剰が発生することである。つまり、制御装置Ｃは、通常損失運転が行われたときの発電ユニット１０の出力電力に余剰が発生するとき、電力過剰条件が満たされると判定し、通常損失運転が行われたときの発電ユニット１０の出力電力に余剰が発生しないとき、電力過剰条件が満たされないと判定する。

尚、制御装置Ｃが、通常損失運転が行われたときの発電ユニット１０の出力電力に余剰が発生すると判定するときの判定基準は適宜設定可能である。例えば、制御装置Ｃは、通常損失運転が行われたときの発電ユニット１０の出力電力が電力消費装置の消費電力よりも大きくなるときに余剰が発生すると判定し、発電ユニット１０の出力電力が電力消費装置の消費電力以下のときに余剰が発生しないと判定してもよい。或いは、制御装置Ｃは、通常損失運転が行われたときの発電ユニット１０の出力電力が電力消費装置の消費電力よりも大きい場合、又は、通常損失運転が行われたときの発電ユニット１０の出力電力が電力消費装置の消費電力以下であるがその差が所定値未満であるときに余剰が発生すると判定してもよい。

制御装置Ｃは、発電ユニット１０で発電を行って電力を出力しているとき、電力変換部１１から出力する電流及び電圧に基づいて、発電ユニット１０からの出力電力を知ることができる。また、連系運転時であれば、制御装置Ｃは、交流線２に設置された計器用変流器ＣＴ３の計測結果に基づいて、連系運転時の電力消費装置（一般電力負荷装置３及び排熱回収ユニット２０）の消費電力を知ることができる。或いは、自立運転時であれば、制御装置Ｃは、自立電力線５に設置されている計器用変流器ＣＴ２の計測結果に基づいて、自立運転時の電力消費装置（自立負荷装置９及び排熱回収ユニット２０）の消費電力を知ることができる。

以上のように、本実施形態の熱電併給システムでは、発電ユニット１０が有する燃料電池部１２の発電電力が同じであっても、発電ユニット１０の出力電力（即ち、電力変換部１１による電力変換後の出力電力）は、大損失運転が行われたときの方が、通常損失運転が行われたときよりも小さくなる。尚、制御装置Ｃは、電力変換部１１の大損失運転を行っても、未だ発電ユニット１０の出力電力に余剰が発生するならば、その余剰電力を余剰電力消費用ヒーター２２で消費させればよい。このように、制御装置Ｃは、発電ユニット１０から出力される出力電力の大きさを、その発電ユニット１０の内部の電力変換部１１によって減少させることで、発電ユニット１０の出力電力の少なくとも一部を消費するため余剰電力消費用ヒーター２２の消費電力、即ち、余剰電力消費用ヒーター２２での発熱量を少なくすることができる。その結果、貯湯タンク２１に蓄える熱量が増え過ぎることを回避できる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態の熱電併給システムは、電力過剰条件が満たされるときの発電ユニット１０の動作制御が上記実施形態と異なっている。以下に第２実施形態の熱電併給システムについて説明するが、上記実施形態と同様の構成については説明を省略する。

本実施形態の熱電併給システムでは、発電ユニット１０は、電力変換部１１の温度を調節する温度調節部としての冷却ファン１５を有している。そして、制御装置Ｃは、通常は冷却ファン１５を基準回転速度で回転させて電力変換部１１の冷却を行っている。尚、電力変換部１１の温度が高くなると、電力変換部１１での電気抵抗が高くなって、電力変換部１１での損失が大きくなる。つまり、電力変換部１１の温度を変化させることで、発電ユニット１０の出力電力を変化させることができる。

そこで、制御装置Ｃは、電力過剰条件が満たされると判定したとき、電力変換部１１の温度が、電力過剰条件が満たされないと判定したときよりも高い温度になるように、冷却ファン１５の回転速度を基準回転速度よりも遅くする。それにより、電力過剰条件が満たされるときの電力変換部１１の温度がより高くなって（電気抵抗が大きくなって）その電力変換部１１での損失が大きくなり、発電ユニット１０の出力電力が小さくなる。
これに対して、制御装置Ｃは、電力過剰条件が満たされないと判定したとき、冷却ファン１５の回転速度を基準回転速度にすればよい。

＜第３実施形態＞
第３実施形態の熱電併給システムは、電力過剰条件が満たされるときの発電ユニット１０及び排熱回収ユニット２０の動作制御が上記実施形態と異なっている。以下に第３実施形態の熱電併給システムについて説明するが、上記実施形態と同様の構成については説明を省略する。

上記実施形態では、電力過剰条件が満たされたとき、他の装置での消費電力を上昇させてもよい。例えば、熱電併給システムには、燃料電池部１２で発電された電力を消費可能な消費部が設けられている。このような消費部としては、発電ユニット１０に設けられている付属機器１４（ブロアＢ１，Ｂ２，Ｂ３及びポンプＰ２，Ｐ３，Ｐ４など）や、排熱回収ユニット２０に設けられている付属機器２３（熱源機４０の送風ファンなど）などである。そして、制御装置Ｃは、電力過剰条件が満たされると判定したとき、そのような消費部での消費電力を上昇させればよい。このような制御が行われることで、発電ユニット１０の出力電力に余剰を発生させ難くできる。つまり、余剰電力消費用ヒーター２２での消費電力を小さくすることができる。その結果、余剰電力消費用ヒーター２２での発熱量を少なくなって、貯湯タンク２１に蓄える熱量が増え過ぎることを回避できる。

＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態では、本発明の熱電併給システムの構成について具体例を挙げて説明したが、その構成は適宜変更可能である。
例えば、図２には電力変換部１１を構成するインバータの回路例を記載したが、他の構成のインバータや、コンバータ及びインバータを備えるような電力変換部１１を用いてもよい。
また、上記実施形態では、熱電併給部が燃料電池部１２である例を説明したが、熱電併給部がエンジンとそのエンジンによって駆動される発電機とを備えて構成され、その発電機から出力される発電電力とエンジンから排出される熱とが利用されるタイプの装置など、他の装置を用いて構成されてもよい。

他にも、発電ユニット１０の付属機器１４及び排熱回収ユニット２０の付属機器２３として上述した以外の機器を熱電併給システムに搭載し、その機器を上記消費部として利用してもよい。例えば、発電ユニット１０の筐体の内外の空気を入れ換えるための換気ファン、改質器３０の温度を調節するための電気ヒーター装置、発電ユニット１０の内部を流れている各種液体の凍結を防止するための電気ヒーター装置などの様々な機器を上記消費部として利用してもよい。同様に、排熱回収ユニット２０の内部を流れている各種液体の凍結を防止するための電気ヒーター装置、排熱回収ユニット２０の内部でそれらの各種液体を流すためのポンプなどの様々な機器を上記消費部として利用してもよい。

＜２＞
上記実施形態において、余剰電力消費用ヒーター２２を備える箇所は、排熱回収ユニット２０内に限定するものではなく、発電ユニット１０内や、発電ユニット１０及び排熱回収ユニット２０の外部など、適宜変更可能である。

＜３＞
上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用でき、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変できる。

本発明は、蓄熱装置の満蓄状態の発生を抑制できる熱電併給システムに利用できる。

１ 電力系統
３ 一般電力負荷装置（電力消費装置）
９ 自立負荷装置（電力消費装置）
１０ 発電ユニット（熱電併給装置）
１１ 電力変換部
１１ａ スイッチング回路部
１１ｂ 平滑化回路部
１２ 燃料電池部（熱電併給部）
１４ 付属機器（消費部）
１５ 冷却ファン（温度調節部）
２０ 排熱回収ユニット（電力消費装置）
２１ 貯湯タンク（蓄熱装置）
２２ 余剰電力消費用ヒーター（電気ヒーター装置）
２３ 付属機器（消費部）
Ｃ 制御装置

上記目的を達成するための本発明に係る熱電併給システムの特徴構成は、熱と電気とを併せて発生させる熱電併給部、及び、複数の半導体素子のスイッチングにより前記熱電併給部の発電電力を所望の電力に変換して出力する電力変換部を有する熱電併給装置と、蓄熱装置と、前記熱電併給装置の出力電力を消費可能な電気ヒーター装置と、制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記熱電併給装置を運転しているとき、前記熱電併給装置と前記蓄熱装置との間で熱媒を循環させながら、前記熱電併給装置で発生された熱の回収と、前記蓄熱装置への蓄熱とを行わせ、
前記熱電併給装置の電力系統への連系運転時には電力消費装置に対して前記電力系統及び前記熱電併給装置の少なくとも何れか一方から電力を供給し、前記熱電併給装置の自立運転時には前記電力消費装置に対して前記熱電併給装置から電力を供給し、
前記熱電併給装置の出力電力のうちの余剰電力を前記電気ヒーター装置で消費させて、当該電気ヒーター装置で発生する熱を前記熱媒に伝達して前記蓄熱装置に蓄えさせる熱電併給システムであって、
前記電力変換部は、前記半導体素子で構成されるスイッチング素子を有するスイッチング回路部と、コイルを有する平滑化回路部とを備え、
前記制御装置が、前記スイッチング回路部が有する前記スイッチング素子のオンタイミング及びオフタイミングを制御して前記平滑化回路部へ出力される電力波形を調節し、前記平滑化回路部では前記スイッチング回路部で得られた電力波形が平滑化されるように構成され、
前記制御装置は、
前記熱電併給部の発電電力が過剰になる電力過剰条件が満たされないと判定したとき、所定のタイミングで複数の前記スイッチング素子のスイッチングを行うことで、前記電力変換部による電力変換を行わせる通常損失運転を行わせ、
前記電力過剰条件が満たされると判定したとき、前記スイッチング素子のオンオフ回数が前記通常損失運転が行われるときよりも少なくなることで前記電力変換部の前記平滑化回路部での損失が大きくなるタイミングで複数の前記スイッチング素子のスイッチングを行うことで、前記電力変換部による電力変換を行わせる大損失運転を行わせる点にある。

上記特徴構成によれば、制御装置は、熱電併給部の発電電力が過剰になる電力過剰条件が満たされると判定したとき、スイッチング素子のオンオフ回数が通常損失運転が行われるときよりも少なくなることで電力変換部の平滑化回路部での損失が大きくなるタイミングで複数のスイッチング素子のスイッチングを行うことで、電力変換部による電力変換を行わせる大損失運転により、電力変換部で消費される電力を相対的に大きくする。これに対して、制御装置は、熱電併給部の発電電力が過剰になる電力過剰条件が満たされないと判定したとき、所定のタイミングで複数のスイッチング素子のスイッチングを行う通常損失運転により、電力変換部で消費される電力を相対的に小さくする。つまり、熱電併給装置が有する熱電併給部の発電電力が同じであっても、熱電併給装置の出力電力（即ち、電力変換部による電力変換後の出力電力）は、大損失運転が行われたときの方が、通常損失運転が行われたときよりも小さくなる。このように、制御装置は、熱電併給装置から出力される出力電力の大きさを、その熱電併給装置の内部の電力変換部によって減少させることで、熱電併給装置の出力電力の少なくとも一部を消費するため電気ヒーター装置の消費電力、即ち、電気ヒーター装置での発熱量を少なくすることができる。その結果、蓄熱装置に蓄える熱量が増え過ぎることを回避できる。
従って、蓄熱装置の満蓄の発生を抑制できる熱電併給システムを提供できる。

Claims (4)

1. 熱と電気とを併せて発生させる熱電併給部、及び、複数の半導体素子のスイッチングにより前記熱電併給部の発電電力を所望の電力に変換して出力する電力変換部を有する熱電併給装置と、蓄熱装置と、前記熱電併給装置の出力電力を消費可能な電気ヒーター装置と、制御装置とを備え、
   前記制御装置は、
   前記熱電併給装置を運転しているとき、前記熱電併給装置と前記蓄熱装置との間で熱媒を循環させながら、前記熱電併給装置で発生された熱の回収と、前記蓄熱装置への蓄熱とを行わせ、
   前記熱電併給装置の電力系統への連系運転時には電力消費装置に対して前記電力系統及び前記熱電併給装置の少なくとも何れか一方から電力を供給し、前記熱電併給装置の自立運転時には前記電力消費装置に対して前記熱電併給装置から電力を供給し、
   前記熱電併給装置の出力電力のうちの余剰電力を前記電気ヒーター装置で消費させて、当該電気ヒーター装置で発生する熱を前記熱媒に伝達して前記蓄熱装置に蓄えさせる熱電併給システムであって、
   前記制御装置は、
   前記熱電併給部の発電電力が過剰になる電力過剰条件が満たされないと判定したとき、所定のタイミングで前記複数の半導体素子のスイッチングを行うことで、前記電力変換部による電力変換を行わせる通常損失運転を行わせ、
   前記電力過剰条件が満たされると判定したとき、前記通常損失運転が行われるときよりも前記電力変換部での損失が大きくなるタイミングで前記複数の半導体素子のスイッチングを行うことで、前記電力変換部による電力変換を行わせる大損失運転を行わせる熱電併給システム。
2. 前記制御装置は、
   前記通常損失運転が行われたときの前記熱電併給装置の出力電力に余剰が発生するとき、前記電力過剰条件が満たされると判定し、
   前記通常損失運転が行われたときの前記熱電併給装置の出力電力に余剰が発生しないとき、前記電力過剰条件が満たされないと判定する請求項１に記載の熱電併給システム。
3. 前記電力変換部の温度を調節する温度調節部を備え、
   前記制御装置は、前記電力過剰条件が満たされると判定したとき、前記電力変換部の温度が、前記電力過剰条件が満たされないと判定したときよりも高い温度になるように前記温度調節部を動作させる請求項１又は２に記載の熱電併給システム。
4. 前記熱電併給部で発電された電力を消費可能な消費部を備え、
   前記制御装置は、前記電力過剰条件が満たされると判定したとき、前記消費部での消費電力を上昇させる請求項１〜３の何れか一項に記載の熱電併給システム。
   

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