JP2587297B2

JP2587297B2 - 熱併給発電装置

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Publication number: JP2587297B2
Application number: JP1251580A
Authority: JP
Inventors: 紀臣三好
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1989-09-27
Filing date: 1989-09-27
Publication date: 1997-03-05
Anticipated expiration: 2012-03-05
Also published as: JPH03117395A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、火力タービン、ディーゼル機関、ガソリン
機関などの各種原動機を応用した熱併給発電装置に関す
るものである。

〔従来の技術〕

熱併給発電装置は、ガソリンエンジンなどの原動機で
発電機を駆動して電力を得、またこの得られた電力を利
用して給湯、暖房等を行うものであるが、従来、その規
模が数百KW以上の大型のものがほとんどである。

〔発明が解決しようとする課題〕

エネルギの有効利用、省エネ等の観点からこの熱併給
発電装置の需要は近年ますます増大してきている。しか
し、規模の大きさからしてシステム構成もかなり複雑で
コストも高く、小規模なシステムにまで普及するものは
現在存在していない。

すなわち、小規模に構成するとしても位相、電圧に関
して電力（配電）系統との連係運転を行うためには、連
系投入、解除、連系運転時の発電量と過電流の制御、逆
送電の防止など高度な制御システムを構成する必要があ
るからである。

さらに、機関の始動、熱回収についても同様に高度の
制御が要求される。

このことは、小規模システムにおいて機器や制御シス
テムが発電容量の割には高価になることを示しており、
このため小規模システム普及の隘路となっていた。

本発明の目的は前記従来例の不都合を解消し、複雑な
構成を必要とせず極めて簡単な構成で熱併給発電システ
ムを構成することによって、小規模（1KW級）システム
においても充分経済的メリットの出せる熱併給発電装置
を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は前記目的を達成するため、交流配電線（１）
に接続された誘導発電機（８）と、この誘導発電機を始
動発電機とし、かつ、これと直結するように一体の断熱
ケース（46）内に収められた内燃機関（７）と、断熱ケ
ースの上方に設置された外部の熱負荷に対する熱源とし
ての温水タンク（12）と、各種センサからの信号に基づ
いて運転状態の制御を行う制御器（24）とを備え、内燃
機関の廃熱と内燃機関によって駆動される誘導発電機の
発生した電力を利用するようにした熱併給発電装置にお
いて、内燃機関と温水タンクとの間に、温水タンクの底
部付近を冷水取入口とし内燃機関の冷却器を経由して前
記冷水取入口よりも高所に設けられた排出口に至る循環
水路（45）を形成し、一方、前記温水タンクに、内燃機
関の排気を熱源とする熱交換器（29）、電力調整器（1
1）を介して交流配電線に接続される加熱ヒータ（1
3）、タンク内の温水温度を検知する水温センサ（4
1）、およびタンク内の温水量を検知する水位センサ（3
4a,34b）を設け、また、誘導発電機には、その回転数を
検知するセンサ（21）を設け、さらに、交流配電線の誘
導発電機との接続点の両側、および誘導発電機に接続さ
れる点のうち少なくとも２カ所に、電力量と電力潮流方
向を検知するための電力センサ（4a〜4c）を設け、これ
ら各センサからの信号を前記制御器に入力信号として与
えることにより、電力負荷および熱負荷の両負荷の量に
応じ、予め設定された発電量制御パターンに基づいて、
内燃機関に供給する燃料と空気の混合量を変化させ発電
量を調節するとともに、発電量のうちから加熱ヒータに
供給する比率を制御するようにしたことを要旨とするも
のである。

〔作用〕

本発明によれば、誘導発電機は連系する交流配電線に
よって励磁されるので、連系投入時の電圧、位相の差に
よる過電流等の問題を避けることができ、さらに、該誘
導発電機は内燃機関で駆動される発電機とするのみなら
ず、内燃機関の始動電動機としても駆動することによ
り、単に同期速度付近で連系投入したのち同期速度以上
となるよう逆にトルクを加えることによって連系時の問
題を発生することなく、また何等電気的、機械的な切換
を行うことなく発電状態に移行でき、しかも加えるトル
クの大小によって同期速度からのスリップの程度が変わ
り発電量が円滑に変化できる。

また、内燃機関からの排気は温水タンク内の熱交換器
の熱源となり、排熱利用が行える。

さらに、内燃機関は温水タンクの水を冷媒とする冷却
器で冷やされ、該冷却器の熱交換で温められる水は再度
温水タンクに戻るので、内燃機関の排気以外の排熱も利
用でき、効率のよい省エネルギー化ができる。

そして、前記冷却器がある循環水路は上方に設置した
温水タンクの底部付近を冷水取入口とし、この冷水取入
口よりも高所に排出口を開口するので、自然対流を利用
でき、循環用のポンプは不要である。

一方、内燃機関は誘導発電機を含めて一体の断熱ケー
スに収められているので、コンパクトとなり、外部への
熱の拡散を避けて、冷却器が持ち去る熱の比率が可能な
限り高められる。

〔実施例〕

以下、図面について本発明の実施例を詳細に説明す
る。

第１図は本発明の熱併給発電装置の１実施例を示す説
明図で、誘導発電機８を駆動する内燃機関としてガスエ
ンジン７を使用する場合である。

本発明の主たる設備としては、前記ガスエンジン７と
誘導発電機８の他に、温水タンク12とからなり、ガスエ
ンジン７と誘導発電機８とを直結しこれらは外周をすべ
て断熱材32で覆った一体の構造のケース46に収める。

また、温水タンク12はこのケース46の上方に設置し、
その外周も断熱材32で覆った。

先に電気系統について説明すると、電力配電系統に接
続された配電線１は、積算電力計２、遠隔操作可能のブ
レーカ３を経て、電力潮流方向および電力瞬時値の信号
を出すことのできる電力センサ4aに接続され、さらに電
力センサ4bおよび電力センサ4cと接続されている。

このうち、電力センサ4bの他端は電磁開閉器６を経て
ガスエンジン７と直結された誘導発電機８の端子8aに接
続される。

また、電力センサ4cの他端は負荷側の配電線９に接続
され、この負荷側の配電線９には電磁開閉器10と電力調
節器11を介して、ガスエンジン７よりも位置的に高所に
設けられている温水タンク12内のヒータ13に接続され
る。

一方、都市ガスの配管系統は止め弁14、ガス配管15、
ガス電磁弁５を経て、スロットバルブ16に接続され、空
気取入口17、エアクリーナ18を通過してきた空気とベン
チュリ部19にて混合されガスエンジン７の吸入管7aに接
続され、さらにガス配管15にはガス圧センサ44が設けら
れる。

ガスエンジン７の排気口8gは、温水タンク12の内部に
設けられた熱交換器29と蛇腹管30を介して連結され、該
熱交換器29の他端は温水タンク12外へ導出されて消音器
31を経て大気中へ開放される。

温水タンク12の底部付近に流出口25が形成され、該流
出口25を冷水取入口としてここから温水タンク12の下方
にでて温水タンク12内の戻り口27を排出口とする循環水
路45を形成した。

この循環水路45の途中には、冷却器としてシリンダ8c
の外周に設けられた水ジャケット8dが配設されるが、水
ジャケット8dの流入口8eと前記流出口25とは流出口25に
可とう性のある蛇腹管26によって、また流出口8fと戻り
口27とは蛇腹管28によって接続され、この温水タンク12
内の戻り口27は流出口25よりも高い所に位置付けられ
る。

ガスエンジン７と直結する誘導発電機８の回転子8bの
下端にスリット付円板20を設け、そのスリットを検知す
るための位置センサ21を円板20に近設する。そして、位
置センサ21はガスエンジン７の点火栓22に高電圧パルス
を供給する点火器23に接続されるとともに制御器24に入
力される。

温水タンク12と同様に、前記蛇腹管26,28,30も断熱材
32で覆った。

温水タンク12への給水は市水（水道）に接続された止
め弁33と、水位センサ34a,34bの信号と制御器24によっ
て開閉が制御される電磁弁35によって、常に水位センサ
34aと34bとの間に水位が保たれるように構成されてい
る。一方、厨房や浴用など清浄な温水を供給するため熱
交換器36が設けられる。

温水タンク12内の温水は温水出口37から温水ポンプ38
によって送り出され、暖房用ファンコイルユニット39な
どの熱放散機器を経て戻り口40に戻るように接続され
る。

温水タンク12の、上部にタンク内圧の上昇を防ぐため
のベントチューブ42を、内部には水温センサ41を、さら
に最下部には水抜き用のドレンプラグ43をそれぞれ設け
た。

前記水温センサ41は、水温が高さ方向で大きく変化す
る場合には、高さ方向に複数個設ける場合もある。

また、これまでに説明した電力センサ4a、4b、4c、位
置センサ21、水位センサ34a,34b、水温センサ41、ガス
圧センサ44の出力信号はすべて制御器24に入力される。
さらにブレーカ３、電磁開閉器6,10、電力調節器11、ガ
ス電磁弁５、スロックバルブ16、電磁弁35は制御器24へ
の各センサからの信号によって発電量、水温、電力と熱
の最適比率などを予めインプットされたプログラムに従
って制御された操作指令信号によって操作（動作）され
るように構成されている。

次に、使用法及び動作について説明する。

誘導発電機８はガスエンジン７の始動電動機を兼ね、
その始動のための電力は既設の配電線１から得る。

その結果、誘導発電機８が始動後発電状態に移行して
も何等の切換、投入、同期調相などの手段を必要としな
いでガスエンジン７のトルク制御＝スロットルの制御の
みで極めて円滑に始動電力の供給を受けた配電線に電力
を送出できる。

この間のトルクと回転数の状況は、第２図に示す通り
であり、誘導発電機８が始動発電機として回動を始めた
のちガスエンジン７が始動して回転数が上昇し、同期速
度を越えた瞬間に誘導電動機８は発電機に変化し、ガス
エンジン７の出力トルクに応じた同期速度よりわずかに
速い回転数で回転し、消費電力量および温水タンク12の
水温等の条件および最適にコントロールされたトルクす
なわちスロットル16の開度により運転を継続する。

この最適にコントロールする条件としては、当然使用
電力量が少なく温水の需要も少ないなどの条件、例えば
夜間などにおいては装置を停止することも含まれる。こ
の制御のパターンの一例を第３図に示す。

しかし、ガスエンジン７のごとき通常のレシプロ形の
内燃機関においては、始動時の圧縮行程で非常に大きな
トルクを要する場合があり、誘導発電機８の誘導発電機
としての始動時の発生トルクでは駆動不可の場合も発生
する。この場合は誘導電動機を単相の場合には反発起動
形またはコンデンサ始動形として起動トルクの増加をは
かるかまたは内燃機関のシリンダ部に圧縮逃し機構を設
けて始動トルクの低減をはかり回転数が始動に充分な値
に達した後、圧縮逃し機構を解除する手段を設けること
によって、始動を容易にすることが可能である。

誘導発電機８と配電線1,9の接続点の両側および誘導
発電機８に接続されている線路には電力量および電力潮
流方向検知機として、電力センサ4a,4bおよび4cがあ
り、その出力をもとに電力消費量に応じて誘導発電機８
の発電量を調節するように、ガスエンジン７に供給する
燃料と空気の混合気量をスロットバルブ16の変化で調整
する。

特に、夜間など消費電力量が少ない場合には、運転を
停止したり、また消費電力量は少ないが、熱交換器29の
消費量が多い場合には、配電線９の負荷側から開閉器10
を介して、また必要に応じてさらに電力調節器11を通し
て温水タンク12内のヒータ13に通電するなど電力と熱の
負荷に応じてその比率を制御することができる。

温水タンク12はヒータ13により電力によって加熱され
るが、ガスエンジン７からの排気を熱源とする熱交換器
29から熱を得ることができ、さらにシリンダ8cの外周に
設けられた冷却器としての水ジャケット8dが熱交換器と
して作用し、この水ジャケット8dからも熱を得ることが
できる。

ガスエンジン7gのスリット付円板20と位置センサ21
は、この位置センサ21の出力を制御器24に入力すること
で、過回転検知および防止も行なえる。

なお、以上の実施例は内燃機関としてガスエンジンを
用いた場合について述べたが、本発明の主旨から、ガソ
リン、ディーゼル等他の形式の内燃機関についてもまっ
たく同様の効果を発揮できることは自明である。

さらに、内燃機関によらずとも外燃機関の一種であり
スターリングサイクルエンジンにおいても同様の効果を
発揮することが可能である。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明の熱併給発電装置は、とくに
小規模なシステムに対して著しい効果を発揮できるの
で、誘導発電機が内燃機関の始動電動機を兼ね、その始
動のための電力は既設の配電線から得ることによって始
動後発電状態に移行しても何等の切換、投入、同期調相
などの手段を必要としないで円滑に始動電力の供給を受
けた配電線に電力を送出できるものである。

さらに、熱回収の効率についても、内燃機関を発電機
とともに一体の断熱ケースに収めて外部と断熱すること
によって従来のシステムにおいては必ず冷却損失となる
発電機の鉄損、銅損、メカロスによる発熱までもが回収
対象となるため熱回収は極めて小規模のシステム構成と
しても非常に高い効率を維持することができる。

また、内燃機関の冷却器がある循環水路は上方に設置
した温水タンクの底部付近を冷水取入れ口とし、この冷
水取入れ口よりも高所に排出口を開口するので、自然対
流を利用でき、循環用のポンプは不要で、より省エネル
ギー化が実現できるものである。

加えて、発電量制御パターンの設定の仕方によって
は、内燃機関によって駆動される誘導発電機の発生した
電力のうち何割かまたはその殆どを売電にまわすことも
可能であり、経済的メリットに優れている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の熱併給発電装置の１実施例を示すもの
で、全体の構成、制御を示す説明図、第２図は誘導発電
機、誘導電動機の回転数とトルクとの関係図、第３図は
電力の負荷に応じて発電量を変化させる制御パターンの
一例を示す相関図である。１……配電線、２……積算電力計３……ブレーカ、4a……電力センサ 4b……電力センサ、4c……電力センサ５……ガス電磁弁、６……電磁開閉器７……ガスエンジン、7a……吸入管８……誘導発電機 8a……端子、8b……回転子 8c……シリンダ、8d……水ジャケット 8e……流入口、8f……流出口 8g……排気口、９……配電線 10……電磁開閉器、11……電力調節器 12……温水タンク、13……ヒータ 14……止め弁、15……ガス配管 16……スロットバルブ、17……空気取入口 18……エアクリーナ、19……ベンチュリ部 20……スリット付円板、21……位置センサ 22……点火栓、23……点火器 24……制御器、25……流出口 26,28,30……蛇腹管、27……戻り口 29,36……熱交換器、31……消音器 32……断熱材、33……止め弁 34a,34b……水位センサ、35……電磁弁 37……温水出口、38……温水ポンプ 39……ファンコイルユニット 40……戻り口、41……水温センサ 42……ベントチューブ、43……ドレンプラグ 44……ガス圧センサ、45……循環水路 46……ケース

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】交流配電線に接続された誘導発電機と、こ
の誘導発電機を始動発電機とし、かつ、これと直結する
ように一体の断熱ケース内に収められた内燃機関と、前
記断熱ケースの上方に設置された熱負荷に対する熱源と
しての温水タンクと、センサからの信号に基づいて運転
状態の制御を行う制御器とを備え、前記内燃機関の廃熱
と内燃機関によって駆動される前記誘導発電機の発生し
た電力を利用するようにした熱併給発電装置において、前記内燃機関と温水タンクとの間に、温水タンクの底部
付近を冷水取入口とし内燃機関の冷却器を経由して前記
冷水取入口よりも高所に設けられた排出口に至る循環水
路を形成し、一方、前記温水タンクに、内燃機関の排気を熱源とする
熱交換器、電力調整器を介して交流配電線に接続される
加熱ヒータ、タンク内の温水温度を検知する水温セン
サ、およびタンク内の温水量を検知する水位センサを設
け、また、前記誘導発電機には、その回転数を検知するセン
サを設け、さらに、前記交流配電線の誘導発電機との接続点の両
側、および誘導発電機に接続される点のうち少なくとも
２カ所に、電力量と電力潮流方向を検知するための電力
センサを設け、前記各センサからの信号を前記制御器に入力信号として
与えることにより、電力負荷および熱負荷の両負荷の量
に応じ、予め設定された発電量制御パターンに基づい
て、前記内燃機関に供給する燃料と空気の混合量を変化
させ発電量を調節するとともに、発電量のうちから前記
加熱ヒータに供給する比率を制御するようにしたことを
特徴とする熱併給発電装置。
【請求項２】前記内燃機関は、始動トルクを減少させる
圧縮逃し機構を有していることを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載の熱併給発電装置。