JP3821573B2 - 充電装置および自己完結型熱電併給システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の蓄電池セルを直列に接続した蓄電池ユニットの充電装置およびこの充電装置を用いた自己完結型熱電併給システム（一般にはコージェネシステムともいう）に関する。以下、本発明において、蓄電池セルを単にセルと称し、蓄電池ユニットを単に蓄電池と称する。
【０００２】
【従来の技術】
複数のセルを直列に接続した蓄電池で、個々のセルを点検するときは、蓄電池から１個ずつセルを外して行う。この場合蓄電池に装着されているセルの数によって、充電電圧が過剰になることがある。また蓄電池からセルを外す前後にセルの接続替えを行う必要があり、蓄電池から電力を供給できない期間が存在する。
【０００３】
また最近注目されている熱電併給システムは、発電に際して発生する排熱を有効に利用するシステムである。熱電併給システムにおいては、発電機を駆動する熱機関から排出される排ガスの保有する熱エネルギが排熱として回収されて有効に利用されるので、エネルギの利用効率が高い。
【０００４】
従来用いられている熱電併給システムは、電力負荷の消費電力に応じて発電機を稼動しているため、最大の消費電力に対応した大容量発電機を設けている。そして消費電力が少ないときには、発電機は少ない負荷で運転される。発電機を駆動する熱機関、たとえば燃料ガスを利用するガスタービンは、特定出力で運転されるとき最も効率がよく、低負荷運転では効率が低下する。さらに極端な低負荷では運転はできない。そのため電力負荷の消費電力が一定量を超えたときは買電を併用し、また電力負荷の消費電力が極端に低い深夜などは、発電機を停止し買電に切替えている。
【０００５】
また、近年、独立形態の電力供給システムの導入が検討されている。これは、電気事業法の規制緩和に伴い、一般電気事業者以外のものの電気事業への参入が認められたことによる。このような電気事業への参入形態として、たとえば、電気を供給する地域を限定した特定地点供給が挙げられる。このような場合には、電気を供給する供給業者は、事故または定期点検などのバックアップのとき以外は一般電気事業者からの電気供給を受けることはできない。それゆえに、その特定地域の電気供給業者は、電気需要に応じて全て供給する義務があり、したがってこのようなシステムを提供しようとする業者は、故障等の特別な場合を除いて商用電源からの電力を受けなくて運転される形態の電源供給システム、すなわち自己完結型のシステムを採用する必要がある。
【０００６】
このような自己完結型システムの場合、一定の発電能力の機器を備え電力負荷の消費電力が少ない場合に余剰電力を貯蔵し、電力負荷の消費電力が多い場合、貯蔵した電力で不足電力を補うことが必要となる。電力の貯蔵に用いる蓄電池は、充電容量（単位重量または容量当りの蓄電量）が大きいこと、過剰な充電電圧で充電されることおよび常に電力が供給できることとが要求される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、常に適正な充電電圧で充電される蓄電池を有する充電装置および全体の効率がよく、かつ設備容量を低減して、コンパクトにすることができる自己完結型熱電併給システムを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、（ａ）蓄電池ユニットであって、
複数の蓄電池セルと、
前記セルを個別的に着脱可能に収納するケースと、
各セルにそれぞれ対応して設けられ、セルの各出力端子にそれぞれ電気的に接続される一対の接点と、
セルがケース内の装着位置にあるとき、一対の接点を離間し、
セルが離脱位置にあるとき、一対の接点を当接し、かつこれらの各接点を、セルの各出力端子からそれぞれ離間する駆動手段と、
複数のセルのうち、両端に配置された両端セルに対応する一対の接点の一方を、一側方に隣接するセルに対応した一方の接点に電気的に接続し、さらに
前記両端セルの間にある中間セルに対応した一対の各接点を、前記中間セルの両側方に隣接する２つの各セルに対応した一方の接点にそれぞれ電気的に接続し、これによってセルを直列接続する導体とを有する蓄電池ユニットと、
（ｂ）蓄電池ユニットに装着されているセルの個数を検出する個数検出手段と、
（ｃ）個数検出手段の出力に応答し、蓄電池ユニットの両端端子間に与える充電電圧を、装着されているセルの個数に比例する値に設定して充電する充電手段とを含み、
駆動手段は、ケース内に各セル毎に設けられ、セルの外周面に接触して変位して接点を駆動し、
この駆動手段は、セルが装着位置から離脱する方向に移動した離脱途中位置にあるとき、前記一対の接点を当接し、かつこれらの各接点を、セルの各出力端子にそれぞれ電気的に接続することを特徴とする充電装置である。
【０００９】
本発明に従えば、蓄電池に装着されているセルの数が検出され、これによって装着されているセルの数に比例した充電電圧で充電される。
【００１１】
各セルは装着された状態で直列に接続され、１つのセルを点検などのため取外す途中位置にあるときにセルと並列に設けられた接点が接続され、該セルが取外されてもこの状態が維持される。これによって該セルが取外し途中にあるとき、蓄電池から供給される電力が遮断されることはない。
【００１２】
また本発明は、セルは、矩形の板状体であり、
セルのケースへの装着方向下流側の端部は、
前記装着方向および厚み方向を含む仮想平面内で先細状に形成された先細部と、
先細部に連なるセル本体とを有し、
先細部とセル本体との境界付近に厚み方向に凹んだ凹所が形成され、
セルの出力端子は、この凹所と、この凹所から前記装着方向下流側に延びる領域とにわたって、延びて形成され、
駆動手段は、
ケース内に、対向して設けられ、装着方向に延び、装着方向下流側の端部に、前記接点が固定され、
接点よりも装着方向上流側でセルに平行な軸線まわりに角変位可能に設けられ、装着方向下流側になるにつれて相互に近接する可動片と、
可動片に、その可動片の前記角変位軸線よりも装着方向下流側であって、かつ接点よりも装着方向上流側に設けられ、前記凹所に嵌合することができ、接点に電気的に接続される導電性凸部とを有し、
可動片に、相互の近接方向のばね力が与えられ、
セルの装着位置で、凹所に凸部が嵌合し、
セルの離脱途中位置で、凸部は、先細部の出力端子に摺接することを特徴とする。
【００１３】
本発明に従えば、各セルは先細部とそれに続く凹所とが形成された矩形の板状体であり、駆動手段は可動片と導電性凸部とを有し、可動片は装着方向先端部に接点が固定され、装着方向下流側で近接しかつ近接方向にばね力が与えられ、導電性凸部はセルの凹所に嵌合する。これによって各セルが装着位置で凹所と導電凸部とが嵌合して安定して装着される。またセルの装着方向上流側を引張ることで容易に前記嵌合を外すことができ、これが外れた時点では、セルの出力端子は可動片の凸部に接触しており、またばね力によって可動片が近接方向に付勢されるので可動片に固定された接点が接触する。この状態でセルが取外される。セルを挿入する場合もセルが装着位置に挿入されるまでに、接点が接触した状態でセルの出力端子を可動片に接触させることができる。なおセルの凹所が導電性凸部に嵌合した装置位置では、可動片の接点は離間している。
【００１４】
また本発明は、電力負荷に電力を供給する発電機と、発電機を駆動する熱機関と、熱機関で発生する排熱を回収する排熱回収手段とを有する自己完結型熱電併給システムにおいて、
前記充電装置と、
電力負荷の消費電力が発電機の特定出力未満のとき、発電機からの余剰電力をセルの個数に対応した充電電圧に調整して、充電装置に蓄え、電力負荷の消費電力が発電機の特定出力を超えるとき、不足電力を充電装置から電力負荷の規定電圧に調整して、供給する制御手段とを含むことを特徴とする自己完結型熱電併給システムである。
【００１５】
ここで用いる特定出力とは、一般に最大出力未満であって最も効率のよい定格出力を云うが、これに限るものではない。また特定出力は時間とともに変化しない一定値に設定する場合が多いが、これに限らず特定出力が時間とともに変化するように設定することもできる。
【００１６】
本発明に従う自己完結型熱電併給システムには蓄電池が設けられる。このため発電機は、常に特定出力で運転され、余剰電力が生じたときは、その電圧がセルの個数に対応した充電電圧に調整されて蓄電池に蓄えられ、電力が不足したときは蓄電池に蓄えられた電力が電力負荷の規定電圧に調整されて補給される。このため蓄電池が最適の充電電圧で充電され、また最大消費電力を賄う大容量の発電機およびこれを駆動する大容量の熱機関を必要とせず、設備容量を低減できる。また常に特定出力で発電機が運転されるので、熱機関および発電機の効率を高くすることができ、排熱回収手段を含めて高効率でエネルギが変換される。また本システムを用いれば電力負荷が極端に少ない深夜などは、発電機を停止して、蓄電池のみの電力供給も可能である。
【００１７】
また本発明は、前記発電機が交流発電機または直流発電機であることを特徴とする。
【００１８】
本発明に従えば、電力負荷に用いられる照明機器、ＡＶ機器、厨房機器、空調機器などに市販の交流機器を用いる場合、交流発電機で発電されるので発電された交流電力がそのまま電力負荷に供給される。なお交流発電機で発電された交流電力はコンバータによって直流電力にされ、蓄電池に蓄えられ、また蓄電池に蓄えられた直流電力はインバータによって電力負荷に変換されて電力負荷に供給される。また直流発電機が用いられるときはコンバータなしで蓄電池に蓄えられ、蓄電池に蓄えられた出力は発電機からの電力と併せてインバータで交流に変更され電力負荷に供給される。さらに直流の電力負荷に対しては、インバータも不要になる。
【００１９】
また本発明は、前記熱機関が燃料ガスを利用するガスタービンであることを特徴とする。
【００２０】
本発明に従う熱機関は、ガスタービンである。ガスタービンは、燃料ガスとして安定供給される都市ガスが用いられ、またガスタービンは構成が簡単で使い易い。
【００２１】
また本発明は、電力負荷に電力を供給する燃料電池と、燃料電池で発生する排熱を回収する排熱回収手段とを有する自己完結型熱電併給システムにおいて、
前記充電装置と、
電力負荷の消費電力が燃料電池の特定出力未満のとき、燃料電池からの余剰電力をセルの個数に対応した充電電圧に調整して、充電装置に蓄え、電力負荷の消費電力が燃料電池の特定出力を超えるとき、不足電力を充電装置から電力負荷の規定電圧に調整して、供給する制御手段とを含むことを特徴とする自己完結型熱電併給システムである。
【００２２】
本発明に従えば、電力負荷に供給される電力は燃料電池によって発電される。燃料電池も特定出力で運転される。余剰電力はセルの個数に対応した充電電圧に調整されて蓄電池に蓄えられ、不足電力は蓄電池から電力負荷の規定電圧に調整されて供給される。燃料電池による発電は、ガスタービンなどの熱機関で発電機を駆動する発電に比し、可動部分が少なく騒音の発生が少ない。またエネルギの変換効率も高い。なお燃料電池で発生する電力は直流電力であるので、コンバータは不要である。直流の電力負荷に対しては、インバータも不要である。
【００２３】
また本発明は、前記排熱回収手段が、吸収式冷凍機と温水ボイラとを含み、吸収式冷凍機で得られた冷水と、温水ボイラで得られた温水とを用いて空調を行うことを特徴とする。
【００２４】
本発明に従えば、排熱回収が冷房を必要とする期間は吸収式冷凍機で行われ、ここで得られた冷水は冷房に用いられる。また暖房を必要とする期間は排熱回収が温水ボイラで行われ、ここで得られた温水は暖房に用いられる。これによって空調機器などに使う電力負荷は、冷温水の送水用ポンプ、換気ファンなど僅かなものになる。なお吸収式冷凍機や温水ボイラの排ガスはさらに給湯機などで熱回収することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施の形態である自己完結型の熱電併給システム１のブロック図である。本システム１は、電力負荷１０にライン８２を介して電力を供給する交流発電機２と、交流発電機２を駆動するガスタービン３と、蓄電池４と排熱回収手段２２とを含む。交流発電機２で発電された電力は、商用電力と実質上同一の電圧、周波数でよく、たとえば１００Ｖ，６０Ｈｚである。燃料ガスは、燃料ガス供給源５から管路８４を介して供給され、流量制御装置６でその流量が制御され、燃焼器７で燃焼される。高温の燃焼ガスはタービン８を駆動する。タービン８には、交流発電機２と圧縮機９とが直結され、圧縮機９では空気が加圧され、燃焼器７に送られ燃焼用空気となる。交流発電機２は、回転数を一定にすることによって一定の周波数の交流を発電する。このためガスタービン３は、回転数を一定にし、出力トルクに応じて燃料ガスの流量が流量制御装置６で制御される。タービン８の排ガスは、管路８６を介して排熱回収手段２２で排熱が回収される。
【００２６】
蓄電池４は、複数の矩形板状のセル１０１−１，１０１−２，…（図４参照）を両端の電圧がセルの個数に対応した電圧、規定個数のセルが装着されたときは約１００Ｖになるように直列に接続し、直方体状のケース４５に各セル１０１は、鉛直方向に向くように収納したものである。
【００２７】
蓄電池４と電力負荷１０との間にコンバータ１２およびインバータ１４ならびに第１および第２変圧器１３，１５が配設されている。コンバータ１２は、交流電力を直流電力に変換するものであり、電力負荷１０に供給される交流電力の一部を蓄電池４に蓄えるときに第１変圧器１３とともに作動される。また、インバータ１４は、直流電力を交流電力に変換するものであり、蓄電池４に蓄えた電力を電力負荷１０に供給するときに第２変圧器１５とともに作動される。
【００２８】
発電機２と電力負荷１０との間には、同期投入装置１６によって投入される第１の開閉スイッチ１８が設けられる。またインバータ１４と電力負荷１０との間には、同期投入装置１６によって投入される第２の開閉スイッチ２０が配設されている。同期投入装置１６は、交流発電機２から電力負荷１０に電力を供給しているときにさらにインバータ１４からの交流電力を負荷１０に供給するとき、あるいはインバータ１４から電力負荷１０に電力を供給しているときにさらに交流発電機２からの交流電力を負荷１０に供給するときに作動される。この同期投入装置１６は、交流発電機２からの交流電力とインバータ１４からの交流電力の電圧、周波数および位相を検出してそれらがほぼ一致したときに第１の開閉スイッチ１８（インバータ１４からの電力に加えて交流発電機２からの電力を供給するとき）または第２の開閉スイッチ２０（交流発電機２からの電力に加えてインバータ１４からの電力を供給するとき）を閉（ＯＮ）にする。
【００２９】
コンバータ１２出口の充電電圧は、図示しない電圧計で測定され、これがセル１０１の個数に対応した充電電圧になるように、第１変圧器１３の２次側の電圧が調整される。また第２変圧器１５出口の電圧は、図示しない電圧計で測定され、これが電力負荷１０の規定電圧、たとえば１００Ｖになるように調整される。
【００３０】
図２は、制御手段４２のブロック図である。電力負荷１０の消費電力Ｌが電力計４４によって検出され、制御手段４２に送給される。制御手段４２は、この電力計４４からの信号に応じて、交流発電機２、流量制御装置６、コンバータ１２、インバータ１４、同期投入装置１６、第１、第２変圧器１３，１５および開閉スイッチ１８，２０，２４を作動制御する。すなわち、制御手段４２は、交流発電機２に関連して、これを作動させるときには作動信号を生成し、また流量制御装置６に関連し、交流発電機２の出力を大きくするときには増加信号を、交流発電機２の出力を小さくするときには減少信号をそれぞれ生成する。さらに、この制御手段４２は、コンバータ１２に関連して、発電機２からの交流電力を蓄電池４に蓄えるときには貯蔵信号を生成し、蓄電池４とコンバータ１２との間にある接点２５が可動片２３によって蓄電池４に接続され、コンバータ１２出口の電圧をセルの個数に対応した充電電圧になるように第１変圧器１３を調整する。またインバータ１４に関連して、蓄電池４に蓄えられた電力を電力負荷１０に送給するときには送給信号を生成し、蓄電池４とインバータとの間にある接点２１が可動片２３によって蓄電池４に接続され、第２変圧器１５出口の電圧を電力負荷の規定電圧になるように第２変圧器１５を調整する。さらにまた、発電機２からの電力に加えて蓄電池４からの電力を電力負荷１０に供給するとき、または蓄電池４からの電力に加えて発電機２からの電力を負荷１０に供給するときには、制御手段４２は投入信号を生成し、同期投入装置１６に送給する。
【００３１】
かくのとおり本システム１は、自己完結型システムとして用いられるが、システムの点検、故障等の通常運転が不可能な場合には、図示していないが、一般の商用電源に電気的に接続され、商用電源からの電力が電力負荷１０に供給されることも考えられる。
【００３２】
図３は本発明の一実施の形態の充電装置の蓄電池４の電気結線図、図４はその一部の断面図である。蓄電池４は、複数の板状のセル１０１−１，１０１−２…（総称する場合は符号１０１で示す）を直列に接続したものであり、各セル１０１は着脱自在である。各セル１０１は、プラスチックなどの電気絶縁性部材で構成されたケース４５に収納され、かつ個々に隔壁１０２で電気的に絶縁されている。板状のセル１０１は、両表面（図４の上下表面）が正負の電極１０４ａ，１０４ｂ（総称する場合は符号１０４）となっており、その中間は電解質１０６が充填されている。電極１０４の装入方向下流側端部寄りは、先細部１０８となっており、先端は絶縁性キャップ１１０で覆われている。先細部１０８と電極１０４が平行に設けられている電池本体との境界部付近には、セル１０１の厚み方向に凹んだ凹所１１２が形成される。
【００３３】
隔壁１０２の両側には、剛性金属から成る可動片１１４の一方端が隔壁１０２に形成された係止凹所１２８に係止して固定され、１つのセル１０１の先細部１０８に沿うように他方端が相互に近接している。可動片１１４の他方端には接点１１６が固定して設けられ、一方端寄りには導電性凸部１１８が設けられ、セル１０１が装着された状態で凹所１１２に嵌合する。また可動片１１４は、一方端を軸として相互に接近するようにばね１２０によってばね力が付与される。各可動片１１４は、隔壁１０２を貫通した導線１２２によって隣接するセル１０１の可動片と電気的に結ばれている。両端のセル１０１、たとえば図４に示すセル１０１−１の一方の可動片１１４ａは、ケース４５を貫通する導線１２２ａによって蓄電池４の一方の端子１２４ａに接続される。セル１０１が装着された状態では、接点１１６は、図４に示すように接触していない。
【００３４】
セル１０１を取外すときは、セル１０１は矢符１２３の方向に引張られ、凹所１１２に嵌合した凸部１１８がばね１２０のばね力に抗して外れる。この状態は、図５（１）で示されるように可動片１１４の他方端はさらに広く押拡げられ、凸部１１８が先細部１０８の電極と接触した状態となる。さらにセル１０１を矢符１１２の方向に引張ると、図５（２）に示すように可動片１１４はばね力によって相互に近接する方向に移動し、凸部１１８がセル１０１の先端部の絶縁キャップ１１０に接触する位置に来るまでに接点１１６が接触する。すなわち凸部１１８が電極１０４に接触している間に接点１１６が接触する。これによってセル１０１−２が取外し途中にあるときは、セル１０１−２が挿入される隔壁１０２間にある一対の可動片が接触し、蓄電池４から停電することなく電力が供給される。図５（３）は、セル１０１−２が完全に取外された状態を示す。
【００３５】
セル１０１を蓄電池４に装着するのは、前記取外すのと逆の手順で行われる。セル１０１が装着位置から先にさらに装入しないために、ストッパ１２６が設けられている。
【００３６】
ストッパ１２６には可動接片１３０が設けられ、セル１０１の先端側にばね付勢されている。セル１０１が装着されているとき、可動接片１３０はストッパ１２６内に押込められているが、セルが図５（１），（２）に示す離脱途中の位置にあるとき、および図５（３）に示す離脱されたとき、可動接片１３０はばね力によってストッパ１２６の外方に突出する。
【００３７】
図６は、蓄電池４に装着されているセル１０１の個数を検出する個数検出装置１４０の一例の電気結線図である。各セル１０１−１，１０１−２，…に対応する可動接片１３０−１，１３０−２，…の接点と並列に抵抗１３２−１，１３２−２，…が接続され、そして前記接点と抵抗１３２との組１３４−１，１３４−２，…が直列に接続され、両端の組１３４−１，１３４−ｎの間の両端の電圧Ｖが電圧計１３６で測定される。可動接片１３０がセル１０１によって押込まれた状態、すなわちセル１０１が装着された状態で接点は開き、ストッパ１２６の外部に突出した状態、すなわちセル１０１が離脱した状態で接点が閉じる。したがってセル１０１が離脱している組１３４、たとえば１３４−２では抵抗１３２−２は短絡される。したがって、規定数Ｎ０のセル１０１が接続されたときの電圧計１３６によって検出される電圧Ｖ０と規定数以下の数Ｎのセル１０１が接続されたときの電圧をＶとすると、Ｎ／Ｎ０＝Ｖ／Ｖ０となる。これからＮ＝Ｎ０×Ｖ／Ｖ０として接続されているセル数Ｎが検出できる。制御手段４２は、電圧計１３６の検出電圧Ｖから装着されているセル数Ｎを計算する。
【００３８】
前記接点１１６とセル１０１の着脱関係は、図３に示す結線図で示される。図３（１）は、すべてのセル１０１が装着された状態を示し、セル１０１と並列に形成された接点１１６は開いている。図３（２）は１つのセル１０１−２が取外された状態であり、セル１０１−２と並列に形成された接点１１６−２は閉じている。
【００３９】
なお、図４においては図面を見やすくするためにセル１０１−１および１０１−３は凹所１１２の部分のみが記載され、他は省略してある。また係止凹所１２８は、拡大図においてのみ示してある。
【００４０】
図７は、本発明の他の実施の形態の蓄電池４ａの断面図である。本実施の形態の蓄電池４ａは可動片１３２が弾性金属製であり、隔壁１０２に固定される一方端部１３４はＶ字状に形成され、その一辺１３６はビス１３８によって隔壁１０２に取付けられ、それ自身の有する弾発力によって互いに近接する方向に付勢されている。したがってばね１２０は設けられていない。
【００４１】
本発明に従う蓄電池４，４ａ（以下、総称するときは４）を構成するセル１０１は特に限定されるものではないが、板状に形成しやすく、蓄電容量の大きいリチウムイオン２次電池が好ましい。リチウムイオン２次電池は起電力が約３．６Ｖであるので、蓄電池４として約１００Ｖの電圧を得るためには、２８個のリチウムイオン２次電池を直列に接続することが好ましい。この場合、たとえばセル１０１が点検のため、たとえば１個取外されると、コンバータ１２出口の電圧は９７Ｖになるように第１変圧器１３で調整される。
【００４２】
次に、図８に示すフローチャートに従って、制御手段４２による本発明の自己完結型熱電併給システム１の制御について説明する。本実施の形態では、交流発電機２は通常は特定出力で運転され、電力負荷１０の消費電力が交流発電機２の特定出力より小さいとき、交流発電機２からの余剰電力が蓄電池４に蓄えられ、電力負荷１０の消費電力が特定出力を超えると蓄電池４からの電力が負荷１０に供給される。したがって、通常、第１の開閉スイッチ１８は閉状態に維持される。
【００４３】
詳述すると、ステップａ２で電力負荷１０の電力消費Ｌが交流発電機２の特定出力Ｗと等しい場合には、交流発電機２にて発生する電力と電力負荷１０の電力消費とが等しいので、発電機２からの電力は全て電力負荷１０に供給され、電力負荷１０にて消費される。それゆえに、制御手段４２は貯蔵信号および送給信号を生成することなく、ステップａ３で第１の開閉スイッチ１８が閉状態となり、第２、第３の開閉スイッチ２０，２４が開状態となり、コンバータ１２およびインバータ１４は非作動状態にある。
【００４４】
ステップａ２でＬ≠Ｗの場合、ステップａ５でＬ＜ＷかＬ＞Ｗかが判断され、Ｌ＜Ｗのときステップａ６でＬ≦Ｗ０かＬ＞Ｗ０かが判断される。Ｌ＜Ｗは夜間の電力小使用期間であり、Ｌ≦Ｗ０は深夜の電力極小使用期間に相当する。Ｗ＞Ｌ＞Ｗ０のとき、ステップａ７に進み、第３の開閉スイッチ２４を閉じ、ステップａ８に進み、制御手段４２は貯蔵信号を生成してコンバータ１２に送給する。かくすると、コンバータ１２が作動し、発電機２からの電力のうち余剰の交流電力が直流電力に変換され、変換された電力が蓄電池４に充電される。ステップａ９で蓄電池４が充電完了か否かが蓄電池の温度などで判断され、充電が完了すると、蓄電池４から充満電信号が制御手段４２に送給され、この充満電信号に基づいて制御手段４２は貯蔵信号の生成を終了し、これによって蓄電池４への充電が停止する。蓄電池４への充電が完了した後は、ステップａ１０に進み、第２の開閉スイッチ２４が開き、ステップａ１１に進み、電力負荷１０の増減に応じて（この増減は発電機２の特定出力より小さい範囲内における増減である）制御手段４２は増加信号、減少信号を生成する。増加信号（または減少信号）が生成されると、流量制御装置６によるガスの送給量が増加（または減少）し、交流発電機２の発電量が増大（または減少）し、交流発電機２は負荷１０の電力消費量に対応した電力発生する。
【００４５】
ステップａ５でＬ＞Ｗと判断される。すなわち電力負荷１０の消費電力が交流発電機２の特定出力より大きくなる（たとえば昼間の電力大使用期間になる）と、ステップａ１２に進み、制御手段４２は、送給信号を生成してインバータ１４に送給する。かくすると、インバータ１４が作動され、蓄電池４からの直流電力が交流電力に変換され、ステップａ１３に進み、制御手段４２は、投入信号を生成し、この投入信号を同期投入装置１６に送給する。かくすると、同期投入装置１６が作動し、交流発電機２からの交流電力とインバータ１４からの交流電力の電圧、周波数および位相を検出してこれらが一致すると第２の開閉スイッチ２０を閉にする（この第２の開閉スイッチ２０は、インバータ１４からの電力の供給が停止すると開（ＯＦＦ）になる）。第２の開閉スイッチ２０が閉になると、交流発電機２からの電気回路とインバータ１４からの電気回路とが電気的に接続され、交流発電機２からの交流電力に加えてインバータ１４からの交流電力が電力負荷１０に送給され、発電機２の不足電力が蓄電池４からの電力によって補充される。かくして、発電機２と蓄電池４を組合わせて発電機２の能力不足分を蓄電池４によって補充するようにしているので、発電機２自体の能力、すなわち発電機およびそれに関連する設備を小さくすることができ、システム全体のコストダウンを図ることができる。
【００４６】
システムをより効率的に運用するには、次のとおりにするのが好ましい。すなわち、ステップａ６でＬ≦Ｗ０と判断されたとき（たとえば深夜の電力極小使用期間になる）には、交流発電機２を停止して蓄電池４から電力を供給する。ステップａ１５では、交流発電機２からの交流電力が第１および第３の開閉スイッチ１８，２４が閉じて、電力負荷１０とコンバータ１２を介して蓄電池４に供給されていることが確認される。ステップａ１６では制御手段４２は、貯蔵信号の生成を停止し、送給信号を生成してインバータ１４に送給する。これによってインバータ１４が作動され、蓄電池４からの直流電力が交流電力に変換される。ステップａ１７に進み、制御手段４２は投入信号を生成し、この投入信号を同期投入装置１６に送給する。かくすると同期投入装置１６が作動し、これによって同期投入装置１６は、交流発電機２からの交流電力とインバータ１４からの交流電力の電圧、周波数および位相がほぼ一致したとき、第２開閉スイッチが閉じ、ステップａ１８で第１および第３開閉スイッチ１８，２４が開く。これで瞬間停電を生じることなく、電力負荷１０に供給される電力が交流発電機２の電力から蓄電池４からインバータ１４を介した電力に切換わる。次にステップａ１９で制御手段４２は、作動信号の生成を停止する。作動信号が生成されなくなると、交流発電機２の作動が停止し、燃料ガスの供給が流量制御装置６で停止される。この状態はステップａ２０でＬ≦Ｗ０の間継続される。
【００４７】
前記の状態から電力負荷１０の消費電力が増大して、ステップａ２０でＬ≦Ｗ０が否定されると、ステップａ２１に進み、制御手段４２は作動信号を生成し、これによって流量制御装置６はガス供給源５から燃料ガスを交流発電機２の駆動のために燃焼器７に供給し、交流発電機２が作動して交流電力を生成する。次にステップａ２２に進み投入信号が生成される。これによって同期投入装置１６は、交流発電機２からの交流電力とインバータ１４からの交流電力の電圧、周波数および位相がほぼ一致したとき第１の開閉スイッチ１８を閉にし、交流発電機２にて発生した交流電力が負荷１０に送給される。次にステップａ２３に進み送給信号を停止する。これによってインバータ１４が非作動状態となり、これに伴って第２の開閉スイッチ２０が開（ＯＦＦ）になり、蓄電池４からの電力の供給が終了する。次にステップａ２４に進み制御手段２２で貯蔵信号が生成され、コンバータ１２が作動され、発電機２からの交流電力の一部が蓄電池４に蓄えられる。したがって電力負荷１０の消費電力が極小から小に増大すると、蓄電池４に代えて交流発電機２により電力が供給される。
【００４８】
図９は、制御手段４２による充電電圧を制御するフローチャートである。ステップｂ１でスタートし、電圧計１３６から検出電圧が送給され、ステップｂ２でＮ＝Ｎ０×Ｖ／Ｖ０の式によって蓄電池４に装着されているセル数Ｎが計算される。ステップｂ３でＶ１＝Ｖｍ×Ｎの式で蓄電池４の充電電圧が計算される。ここでＶｍは、１個のセル１０１を充電するのに必要な電圧である。ステップｂ４でコンバータ１２の出口電圧がＶ１になるように調整される。
【００４９】
排熱回収手段２２は、ガスタービン３の排ガスを管路８６を介して受入れ、その排熱を回収するものであり、吸収式冷凍機１９、温水ボイラ２６、給湯器２８などから成る。タービン８の排ガスは、冷房を必要とするときは、バルブＶ１から吸収式冷凍機１９の再生器に供給され、冷水を発生する。暖房を必要とするときは、バルブＶ２から温水ボイラ２６に供給され温水を発生する。これらで発生した冷温水は、バルブＶ３〜Ｖ６を切換えることによって管路８８を介して空調装置３０に送られ、空調装置３０からの冷温水は管路９０を介して吸収式冷凍機１９または温水ボイラ２６に戻される。冷温水が排熱回収手段２２から供給されるので、空調装置３０の電力負荷は、吸収式冷凍機２４の運転に必要なものおよび冷温水の送水ポンプ、換気ファンなど僅かである。吸収式冷凍機１９または温水ボイラ２６から排ガスは給湯器２８に導かれ、さらに排熱を回収されて大気中へ放出される。冷暖房を必要としないときは、タービン８からの排ガスは直接バルブＶ７から給湯器２８に導かれる。給湯器２８で得られた温水は、風呂などの給湯負荷３２に供給される。
【００５０】
本実施の形態における交流発電機２の特定出力は、一般に最も効率のよい運転が可能となる定格出力である。これは交流発電機２の最大出力の７０〜８０％のことが多い。したがって電力負荷１０の消費電力と交流発電機２の特定出力とが等しい場合として、定格出力と最大出力との間の消費電力としてもよい。この場合は、電力負荷の増減に応じて（この増減は発電機２の特定出力と最大出力との間における増減である）制御手段４２は増加信号または減少信号を生成し、流量制御装置６による燃料ガスの送給量が増加または減少し、交流発電機２は負荷１０の電力消費量に対応した電力を発生する。
【００５１】
本発明の第２の実施の形態の自己完結型熱電併給システムとして先の実施の形態の交流発電機を直流発電機に替えたものがある。本実施の形態では、直流発電機で直流電力が得られるので、コンバータ１２は不要である。また直流発電機で得られた直流電力と蓄電池４から得られた直流電力は、併せてインバータ１４で交流電力に変換されるので同期投入装置１６も不要である。
【００５２】
図１０は、本発明の第３の実施の形態の自己完結型熱電併給システム６１のブロック図である。本実施の形態では先の実施の形態の交流発電機２およびガスタービン３の代わりに燃料電池６２が用いられている。燃料ガスは改質装置６３で触媒によって水素に改質され、燃料電池６２ではこの水素と空気中の酸素とが反応して水ができ、この際に直流電力が発生する。この直流電力は、先の実施の形態と同様にセルの個数に対応した充電電圧に充電電圧調整装置１３ａで調整されて直接蓄電池４に蓄えられ、また単独でまたは蓄電池４からの直流電力と併せてインバータ１４で交流に変換されて電力負荷に供給されるので同期投入装置１６も不要である。先の実施例の第１〜第３開閉スイッチ１８，２０，２４は、開閉スイッチ１８ａ，２０ａ，２４ａの位置に配置され、緊急遮断用スイッチ５４が設けられる。その他の構成は先の実施の形態と類似しており、同一の機器には同一の符号を付す。
【００５３】
本実施の形態の蓄電池４を、本実施の形態の自己完結型熱電併給システム１，６１に用いることによって、交流発電機または燃料電池は効率のよい特定出力で運転され、電力に余剰があるときは余剰電力が蓄電池４に蓄えられ、電力が不足するときは不足電力が蓄電池４から補給され、さらに電力負荷の極端に少ないときは、蓄電池４に蓄えられた電力だけが供給される。これらの電力供給方式を切替える際に停電が発生することがない。また蓄電池４を構成するセル１０１の一部を点検のため取外したとき、適切な充電電圧で充電が行われる。さらにセル１０１の取外し装着のとき停電が発生することがない。
【００５４】
【発明の効果】
以上のように請求項１，２に記載の本発明によれば、蓄電池を構成するセルの一部を蓄電池から取外したとき、装着されているセルの個数に比例する充電電圧で充電されるので、セルに過電圧がかかることがない。
【００５５】
また請求項３〜７に記載の本発明によれば、前記蓄電池を用いるので、発電機または燃料電池は特定出力で運転され、電力の使用が少なく、電力に余剰があるときには、余剰電力の電圧がセルの個数に対応した充電電圧に調整されて蓄電池に蓄えられ、電力の使用量が多く不足しているときには、不足電力が蓄電池から負荷に電力負荷の規定電圧に調整されて供給されるため、最大消費電力を賄う大型の発電機または燃料電池を必要とせず、設備容量を低減し、全体の熱電供給システムをコンパクト化するとともに発電機または燃料電池を最も効率のよい状態で運転できる。また発電機を駆動する熱機関または燃料電池の排熱も有効に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の自己完結型熱電併給システム１のブロック図である。
【図２】制御手段４２のブロック図である。
【図３】本発明の一実施の形態の蓄電池４の電気結線図である。
【図４】蓄電池４の断面図である。
【図５】蓄電池４から電池セル１０１−２を取外す途中および取外したときの断面図である。
【図６】蓄電池４に装着されているセルの数を検出する装置の電気結線図である。
【図７】本発明の他の実施の形態の蓄電池４ａの断面図である。
【図８】制御手段４２のフローチャートである。
【図９】充電電圧の制御のフローチャートである。
【図１０】本発明の第３の実施の形態の自己完結型熱電併給システム６１のブロック図である。
【符号の説明】
１，６１ 自己完結型熱電併給システム
２ 交流発電機
３ ガスタービン
４，４ａ 蓄電池
６ 流量制御装置
１０ 電力負荷
１２ コンバータ
１３ 第１変圧器
１３ａ 充電電圧調整装置
１４ インバータ
１６ 同期投入装置
１９ 吸収式冷凍機
２２ 排熱回収手段
２６ 温水ボイラ
２８ 給湯器
３０ 空調装置
３２ 給湯負荷
４２ 制御手段
４４ 電力計
６２ 燃料電池
１０１ 電池セル
１１４ 可動片
１１６ 接点
１２４ 蓄電池の両端端子
１２６ ストッパ
１３０ 可動接片
１３６ 電圧計

Claims (7)

1. （ａ）蓄電池ユニットであって、
   複数の蓄電池セルと、
   前記セルを個別的に着脱可能に収納するケースと、
   各セルにそれぞれ対応して設けられ、セルの各出力端子にそれぞれ電気的に接続される一対の接点と、
   セルがケース内の装着位置にあるとき、一対の接点を離間し、
   セルが離脱位置にあるとき、一対の接点を当接し、かつこれらの各接点を、セルの各出力端子からそれぞれ離間する駆動手段と、
   複数のセルのうち、両端に配置された両端セルに対応する一対の接点の一方を、一側方に隣接するセルに対応した一方の接点に電気的に接続し、さらに
   前記両端セルの間にある中間セルに対応した一対の各接点を、前記中間セルの両側方に隣接する２つの各セルに対応した一方の接点にそれぞれ電気的に接続し、これによってセルを直列接続する導体とを有する蓄電池ユニットと、
   （ｂ）蓄電池ユニットに装着されているセルの個数を検出する個数検出手段と、
   （ｃ）個数検出手段の出力に応答し、蓄電池ユニットの両端端子間に与える充電電圧を、装着されているセルの個数に比例する値に設定して充電する充電手段とを含み、
   駆動手段は、ケース内に各セル毎に設けられ、セルの外周面に接触して変位して接点を駆動し、
   この駆動手段は、セルが装着位置から離脱する方向に移動した離脱途中位置にあるとき、前記一対の接点を当接し、かつこれらの各接点を、セルの各出力端子にそれぞれ電気的に接続することを特徴とする充電装置。
2. セルは、矩形の板状体であり、
   セルのケースへの装着方向下流側の端部は、
   前記装着方向および厚み方向を含む仮想平面内で先細状に形成された先細部と、
   先細部に連なるセル本体とを有し、
   先細部とセル本体との境界付近に厚み方向に凹んだ凹所が形成され、
   セルの出力端子は、この凹所と、この凹所から前記装着方向下流側に延びる領域とにわたって、延びて形成され、
   駆動手段は、
   ケース内に、対向して設けられ、装着方向に延び、装着方向下流側の端部に、前記接点が固定され、
   接点よりも装着方向上流側でセルに平行な軸線まわりに角変位可能に設けられ、装着方向下流側になるにつれて相互に近接する可動片と、
   可動片に、その可動片の前記角変位軸線よりも装着方向下流側であって、かつ接点よりも装着方向上流側に設けられ、前記凹所に嵌合することができ、接点に電気的に接続される導電性凸部とを有し、
   可動片に、相互の近接方向のばね力が与えられ、
   セルの装着位置で、凹所に凸部が嵌合し、
   セルの離脱途中位置で、凸部は、先細部の出力端子に摺接することを特徴とする請求項１記載の充電装置。
3. 電力負荷に電力を供給する発電機と、発電機を駆動する熱機関と、熱機関で発生する排熱を回収する排熱回収手段とを有する自己完結型熱電併給システムにおいて、
   請求項１記載の充電装置と、
   電力負荷の消費電力が発電機の特定出力未満のとき、発電機からの余剰電力をセルの個数に対応した充電電圧に調整して、充電装置に蓄え、電力負荷の消費電力が発電機の特定出力を超えるとき、不足電力を充電装置から電力負荷の規定電圧に調整して、供給する制御手段とを含むことを特徴とする自己完結型熱電併給システム。
4. 前記発電機が交流発電機または直流発電機であることを特徴とする請求 項３記載の自己完結型熱電併給システム。
5. 前記熱機関が燃料ガスを利用するガスタービンであることを特徴とする請求項３または４記載の自己完結型熱電併給システム。
6. 電力負荷に電力を供給する燃料電池と、燃料電池で発生する排熱を回収する排熱回収手段とを有する自己完結型熱電併給システムにおいて、
   請求項１記載の充電装置と、
   電力負荷の消費電力が燃料電池の特定出力未満のとき、燃料電池からの余剰電力をセルの個数に対応した充電電圧に調整して、充電装置に蓄え、電力負荷の消費電力が燃料電池の特定出力を超えるとき、不足電力を充電装置から電力負荷の規定電圧に調整して、供給する制御手段とを含むことを特徴とする自己完結型熱電併給システム。
7. 前記排熱回収手段が、吸収式冷凍機と温水ボイラとを含み、吸収式冷凍機で得られた冷水と、温水ボイラで得られた温水とを用いて空調を行うことを特徴とする請求項４または５記載の自己完結型熱電併給システム。

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