JP4124741B2 - 家庭用熱電併給ユニット - Google Patents

Description

本発明は、家庭用熱電併給ユニットに関する。

発明の背景
家屋敷への電力供給は、常に保証されているわけではなく、様々な外的条件により停電する可能性がある。家庭用加熱機器は、ガスが主な燃料の場合でも、制御回路や点火装置等に電力を供給するために、一般に電源を必要とする。それゆえ、主電源が停電すると、住居は、照明だけでなく主な熱源等も失ったままになる。このような停電の場合には、需要者は一般に大きな不便を被ることとなり、僻地、老人または幼児に関しては、停電はずっと深刻な問題ともなり得る。

家庭用バックアップ発電設備の構成は、一般に、エンジン駆動発電機からなっており、エンジン駆動発電機は、停電の発生後、分離された回路に接続する必要がある。そして、電力網からの供給が回復されるまで、これらの発電機は家庭用回路に電力を供給する。その後、発電機を止めて、接続をきり、主電源を再接続する必要がある。この構成によってバックアップ電力が供給されるが、発電機の保管および／または必要とされる場所への移動、発電機用代替燃料の保管、信頼性を確保するための規則的な保守ならびに安全な切換えの必要性ということにおいて欠点がある。このような設備は、ガレージなど、発電機の収納に利用できる場所がない都会の住居では用いることができない。

ＤＥ２９７０６８６９号にあるように、内部電源を取り入れた加熱システムが開発されてきた。この特許では、バックアップ用蓄電池により、限られた時間だけ加熱システムに電力を供給できる。それでもやはり、停電が長びいた場合には、熱源を失っていた。

バックアップ電源を提供できる家庭用光発電システムが存在するが、これらは、天候条件に依存し、発電するには太陽光が必要である。風力発電もまた外的条件に依存し、非常用電力としては当てにすることができない。特開平０４−３０８４３２号公報にあるように、燃料電池はバックアップ電源を提供し得る。この特許では、太陽電池または燃料電池を用いてバックアップ電力を供給するが、直流システムに電力を供給するだけである。バックアップ電源は、どの機器にとっても外付けであり、加熱システムに特有のものではない。

最近、本譲受人は、線形フリーピストン・スターリングエンジン（ｌｉｎｅａｒ ｆｒｅｅ ｐｉｓｔｏｎ Ｓｔｉｒｌｉｎｇ ｅｎｇｉｎｅ（ＬＦＰＳＥ））を含む家庭用熱電併給（ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｈｅａｔ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ（ｄｃｈｐ））ユニットを提案した。１９９８年にサンディエゴで開かれた国際ガス研究会議（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｇａｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）での、ダン（Ｄａｎｎ）らの「家庭用マイクロジェン・コージェネレーション（Ｍｉｃｒｏｇｅｎ−Ｃｏｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｈｏｍｅ）」において、マイクロ・コージェネレーションシステムの認識されている要件の検討およびスターリングエンジンｄｃｈｐを支える原理の紹介がなされている。この文書が示すように、停電が発生したときに予備電力を供給することが、このようなｄｃｈｐの望ましい特徴である。詳細に説明されているわけではないが、またこの文書は、このような供給にはいろいろな意味合いがあることを開示している。
ＤＥ２９７０６８６９号 特開平４−３０８４３２号公報

本発明は、特に、ｄｃｈｐから予備電力を供給することのいろいろな意味合いに取り組むことに関するが、それに限られるわけではない。

発明の概要
本発明によれば、家庭用住居における熱および電力需要を提供する家庭用電力システムが提供される。このシステムには、通常の運転条件において家庭用電力需要の少なくとも一部を満たす主電源への接続部と、可燃性燃料供給源を備え、電力出力および家庭用熱需要の少なくとも一部を満たす熱出力を生成する家庭用熱電併給ユニットであって、主電源の停電中に運転可能なユニットと、主電源の遮断を検出するための手段と、主電源の停電時に、家庭用熱電併給ユニットからの電力出力を、家庭の全電力需要よりも少ない電力需要の、選択された電力消費装置に接続するための手段と、が含まれる。

ｄｃｈｐユニットは、主電源が通じている通常の運転中、可燃性燃料供給源からの燃料を消費することによって、熱および電力需要の少なくとも一部を提供する。主電源が遮断されている場合には、同じユニットおよび可燃性燃料供給源を用いて、電力消費装置へ供給する電気を発生する。この後者の場合、ｄｃｈｐの最大電力出力は、典型的には、通常の家庭の全需要を満たすほど十分な電力を供給し得ない。したがって本発明によれば、発電された電気は、ｄｃｈｐユニットの運転システムに電力を供給するために優先的に使用され、続いて、熱出力を生成するために使用される。しかしながら、主電源の遮断中に、多少の照明など他の選択した、電気をエネルギ源とする装置および極めて重要な電気機器が、ユーザにある程度役立つものとなるほどに、ｄｃｈｐユニットが供給する電気を十分なものとすることも考えられている。しかしながら、ｄｃｈｐユニットから過度の電力を引き出し（たとえば、停電中）、それがスターリングエンジンの停止へと至るのを防ぐために、本発明は、主電源が通じている間に必要とされる電力の全てではなく一部が、停電中にも、電灯または電気ソケットへの電力用に供給されるように備えをしている。好適な一実施形態おいて、主電源の遮断中には、若干の家庭用ソケットにのみ電力を供給することが可能である。あるいは、ｄｃｈｐから引き出す全電力を再度制限するために、ソケットに供給される電圧を所定の電流需要に対して低減してもよい。バックアップ電力の発生は、バッテリによって電力を供給されているわけではないので、可燃性燃料を利用可能な間はいつまでも電力を発生し続けることができる。

唯一の電力がｄｃｈｐユニットによって供給されているように、システムが主電源なしに運転されている場合には、需要者は、ｄｃｈｐユニットに損傷を与えるほどに、過度の電力負荷を要求することもあり得る。過剰な負荷が要求された場合に、選択した電気消費装置への電力を切断するヒューズを設置することは、もちろんできる。しかしながら、システムは、選択した電気消費装置が要求する電力負荷を検出する手段と、需要電力が閾値を超える場合に、選択した装置へ供給されるピーク電圧を低減する手段と、をさらに含むことが好ましい。このアプローチにより、電気機器の性能が目に付くほど低下する（たとえば、電灯が薄暗くなる）ことから、需要者は、過度の電力を得ようとしていることに注意を喚起される。その場合は、需要者は電力消費を削減する措置を講ずることができる。このような措置がとられない場合、システムは、需要電力が所定の期間、閾値を超えると、選択した電気消費装置を切断する手段をさらに含むことが好ましい。

主な意図は、家庭用ガス供給源を用いてｄｃｈｐユニットにエネルギを供給することである。なぜなら、これが最も普通に供給される可燃性燃料源だからである。もっとも、ＬＰＧ、ＬＮＧもしくは生物ガスなどの他の可燃性ガス、または液体燃料を用いることもできる。定期的に補給される有限な液体燃料供給源を備えた僻地の住居では、非常用電力を発生する能力は明らかに制限される。しかしながら、この能力はやはりどの市販のバッテリの能力も大きく超える。また、このような状況でも、本発明はやはり別個の発電機を持つことよりも好ましい。なぜなら、このような発電機の費用および発電機を手動で始動させなければならない不便を避けることができるからである。

現在好まれているところでは、家庭用熱電併給ユニットとして、スターリングエンジンを使用する。スターリングエンジンは、線形フリーピストン・スターリングエンジンであることが好ましい。これには様々な利点がある。たとえば、保守をほとんど必要としないと共に、安定した電力出力を供給するために同期をとって動作する密閉ユニットである。

選択された電気消費装置は、住居の主電気回路から完全に独立した構成要素（たとえば、非常用照明回路）として設けられてもよい。もっとも、これは、配線および機器の重複を伴う。あるいは、選択された電気消費装置は、多数の環状配電系統を備えた住居の、１つの環状配電系統に設けられたものであってもよい。しかしながら、システムには、様々な電気消費装置への電源を主電源の停電時に選択的に切る手段を設けることが好ましい。

また、主電源の遮断を検出する手段が、主電源の主電圧または周波数が許容レベルから外れたときを検出できる場合には、更なる運転モードが可能である。これにより、システムは、主電源が質的に適切でないとき、特定の機器を主電源から切断することが可能となり、代わりに、この機器にｄｃｈｐユニットから電力を供給する。このようにして、高感度の機器を保護することができ、一方それほど高感度でない機器は、今までどおり主電源から電力を供給される。

ｄｃｈｐユニットの通常の運転において、熱需要が高く、電力需要が低いとき、余剰電力を電力網に送出する能力をユニットに持たせることができる。ユニットが電力網から切断されたときには、これはもはや可能ではない。したがって、システムには、過剰な電気を消費する電気シンクを設けるのが好ましい。この電気シンクは、水冷式抵抗器の形態であることが好ましい。このように、過剰な電気は熱に変換されるが、これは本来熱需要の高い運転モードであるので、熱を有効利用することが可能となる。

逆に、電力需要が高く、熱需要が低い場合には、通常の運転条件では、このユニットは簡単に電力網によってこの電力需要を満たすと同時に、ｄｃｈｐユニットを運転して熱需要を満たすであろう。これは、電力網非依存運転では可能ではない。したがって、熱シンクを設けることが好ましい。熱シンクは、ｄｃｈｐユニットから熱出力を消散できる補足ファンの形態をしているのが好ましい。ｄｃｈｐユニットの運転特性では、時間の一部がエンジン／発電機の停止に関して使われる。このような条件下で主電源が停電した場合でも、ｄｃｈｐユニットを始動でき、熱および非常用電力を供給できるようにすることが有利である。したがって、家庭用熱電併給ユニットには、交流発電機を介して電力出力を生成する往復動部材を駆動するエンジンヘッドに、熱エネルギを入力するバーナを含むスターリングエンジンと、始動システムと、が含まれる。さらにこの始動システムには、ユニットの始動を制御するための制御手段と、バーナを点火する点火器と、エンジンヘッドが閾値温度に達したと制御手段により判定されたときに、往復動部材を動かすために発電機に電気信号を供給するパルス発生器と、始動動作の間に、制御手段、点火器およびパルス発生器に電力を供給する局所的に限定された電源と、が含まれる。

このユニットは本発明の更なる態様を形成し、それは、本発明の第１の態様と組み合わせるかまたは独立に使用してもよい。特に本発明の更なる態様により、家庭用熱電併給システムが提供されるが、このシステムには、交流発電機を介して電力出力を生成する往復動部材を駆動するエンジンヘッドに熱エネルギを入力するバーナを含むスターリングエンジンと、始動システムと、が含まれる。さらにこの始動システムには、ユニットの始動を制御するための制御手段と、バーナを点火する点火器と、エンジンヘッドが閾値温度に達したと制御手段により判定されたときに、往復動部材を動かすために発電機に電気信号を供給するパルス発生器と、始動動作の間に、制御手段、点火器およびパルス発生器に電力を供給する局所的に限定された電源と、が含まれる。

限定された局所的な電源は、バッテリなどの直流電源が好ましいが、例えば１つまたは複数のキャパシタでもよい。この電源は、制御手段、点火器およびパルス発生器に電力を供給するためにもっぱら必要とされる。したがって、バッテリがバックアップ電力の全てを供給する必要のある、既存の適用例とは完全に異なっている。バッテリの再充電は、スターリングエンジンがひとたび動作すれば、すぐに開始できる。

本発明のさらに別の態様により、家庭用住居における熱および電力需要を実現するための家庭用電力システムが提供される。このシステムには、通常の運転条件において家庭用電力需要の少なくとも一部を満たす主電源との接続部と、可燃性燃料供給源を備え、主電源とほぼ同じ通常の運転電圧で電力出力を生成し、また家庭用熱需要の少なくとも一部を満たす熱出力を生成し、主電源が停電のときに運転できる家庭用熱電併給ユニットと、主電源の遮断を検出するための検出器と、主電源の停電が検出器によって検出されたときに、家庭用電力需要の少なくとも一部を供給するために家庭用熱電併給ユニットの電力出力を切換えるためのスイッチと、ユニットが家庭用電力需要に対し電力を供給している間に、家庭用電力需要の需要電流が通常の運転電圧でユニットから引き出し可能な最大電流を超える場合には、ユニットにおける出力の瞬間的なピーク電圧をユニットの通常の運転電圧よりも低い電圧に制御するように構成されているユニット電力リミッタと、が含まれる。

ここで、本発明によるシステムおよびユニットの例について、添付の図面に関連して説明する。

好ましい実施形態の詳細な説明
ｄｃｈｐシステムは、図１に示すようなスターリングエンジン１を基礎としている。このエンジンは線形フリーピストン・スターリングエンジンが好ましく、その運転は当該技術分野では周知である。ｄｃｈｐシステムで使用するためには、エンジンの電力出力は１６Ａの単相出力とすべきである。

スターリングエンジン１は、エンジンバーナ２からの熱入力によって駆動される。このバーナは、バルブ５の制御下で、空気供給４と混合された可燃性ガス供給３によって、燃料を供給される。混合流は、ファン６によって、バーナ２に供給される。これにより、当該技術分野において周知の方法でスターリングエンジンを駆動し、線形交流発電機から電気出力７を発生する。熱は、冷却器８でスターリングエンジンから抽出される。この冷却器は本質的には熱交換器であって、ポンプ９によりくみ上げられる水は、ライン１０に沿って冷却器を通る。つぎに、冷却器８を通った水は、スターリングエンジンのヘッドを加熱したエンジンバーナからの排気ガスによって、熱交換器１１でさらに加熱される。水をさらに加熱すること、およびスターリングエンジンが作動していないときに、ある程度独立して水を加熱することのために、補足バーナ１２を設けて、熱交換器１１で水を加熱する。補足バーナは、バルブ１５の制御下で、空気供給１４と混合された可燃性ガス供給３によって燃料を供給される。混合流は、ファン６によって補足バーナ１２に供給する。

ファン６は、誘導弁（図示せず）を通して、混合器バルブ５および１５に空気を供給する。この誘導弁によって、各混合器への正確な空気流が確保される。

一代替設計においては、別個のファンを用いて２つのガス／空気混合器バルブ５および１５に空気を供給している。これにより、誘導弁のが不要となるが、同時係属出願ＧＢ０１３０３８０．９号に記載されているように、単一のファン設計と比較して、重量、コストおよび効率に大きな不利がある。

エンジンバーナ２および補足バーナ１２からの排気ガスは、熱を熱交換器１１に引き渡した後、送気管１７を通って排気される。この方法では、スターリングエンジン１は、電気出力７および熱出力１８を生成する。この熱出力は、たとえば、家庭用温水の需要を提供するか、セントラルヒーティングシステムに供給するか、または複合構成（「コンビネーション」ボイラ）にして、これらの両方に使用されてもよい。

提案したｄｃｈｐシステムは、最大１ｋｗの電力（正味）を供給し、家庭用回路網へ直接電力を供給するので、電力網からの供給と結合するように設計されている。図２は、ｄｃｈｐユニットを取り入れた家庭用回路の最も簡単な接続構成であって、電力網電源と並列に接続されたものを示している。

図２の構成では、電力網２０からの供給は、電力網ヒューズ２１を介して家庭用住居に入り、家庭用メータ２２を通って、その後、断路器、遮断器および記録計などの構成要素を含む標準の需要者ユニット２３を通る。そこから、電力は家庭用負荷２４に供給される。

ｄｃｈｐユニット２５には、図１のスターリング設備だけでなく、制御ボード２６および電力網インタフェース２７が基本的に含まれる。交流発電機２８は、スターリングエンジン１に関連して説明した交流発電機であって電気出力７を発生する一方、加熱部２９は、バーナ２および１２ならびに温水出力１８を発生する熱交換器１１に対応している。図２に示すように、交流発電機２８からの電気出力は、ライン３０に沿って電力網インタフェース２７へ、またライン３１に沿って加熱部２９に供給され、これらの構成要素に必須の電力需要を提供する。この構成では、ｄｃｈｐユニットは、電力網電源が存在する場合にのみ発電し、したがって電力網から独立したシステムではない。

電力網インタフェース２７は、国際公開第０１／６９０７８号パンフレットに詳述されている。電力網インタフェースはｄｃｈｐユニット内に配置され、それによって、スターリングエンジンの通常の「ソフト」始動および停止（すなわち、主電源が接続されているとき）の間に、ユニットを電力網に接続および切断できる。

制御ボードは、ユニットの運転を全体として（バーナへの燃料を制御すること等）制御することに加えて、適切な信号をライン３２に沿って送信して、しかるべきものとしてインタフェースリレーを作動させる。リレーの代わりに、エレクトロニック可変自動変圧器（バリアック）または同期インバータなどの代替電力網インタフェース技術を使用することができる。

電力網保護制御部２６は、国際公開第０２／０６１９１１号パンフレットに記載されており、電力網電源２０を監視する。制御部は、ｄｃｈｐユニット内部に図示されているが、外部に配置してもよいし、あるいは局所的な構成次第で需要者ユニットまたはメータと一体化してもよい。電力網からの電気供給が所定の電圧および周波数限度から外れた場合には、電力網保護制御部２６は制御ボード３３に信号を送り、制御ボードは電力網インタフェースにて電力網からユニットを切断する。この切断は、発電機および回路網自体を保護するために必要であり、任意の分散型電力発電システムに対する法的要件を満たす。切断を行う現行の予め設定したレベルは、電圧が通常の動作レベルの−１０％、＋１０％であり、周波数が通常の動作レベルの−６％、＋１％である。

ｄｃｈｐシステムは、需要者ユニット２３を介して家庭用負荷２４に接続され、補足ヒューズおよび手動断路器３４は、ユニットの安全な設置および撤去を可能とするために設けられている。

上記で説明したシステムは、主電源の停電中に熱および電力を発生できるように、本発明にしたがって構成されている。そのためには、図３に関連して以下に説明するように、様々な調節が必要である。

図３に示す構成では、主電源がひとたび切断されると、主電源が予め設定したレベルに戻るとすぐに再接続するように主電源を監視するため、電力網保護制御部２６は動作し続ける。

これに加え、図３に示すように、電力網非依存モジュール３５は、電力網電源が停電したときにｄｃｈｐユニット２５を再始動できるように、エンジン始動設備として設けられている。モジュール３５を以下に詳述する。

主電源が停電した場合には、電力は、ライン３６に沿い、電力網インタフェース２７および電力網非依存モジュール３５を介して、交流発電機２８から電力網非依存供給ポイント３７またはソケット３８に供給される。

図３の構成では、電力網非依存供給ポイント３７は第２の回路に接続されている。この回路は、通常、主な家庭用回路に接続されていない機器を備えている。そのために機器の重複（非常用照明等）を必要とするが、それはバックアップ回路が別個の回路であり、通常の電力網が接続された状態では、動作しないからである。

しかしながら、この構成は、ユーザにとってそれなりの有用性のある非常用回路を提供する。非常用回路は、発電機の能力から、典型的には発生電力の約１０〜２０％になるユニット供給部（ポンプ、制御回路等）が必要とする規制電力を引いた電力を供給でき、また、設置されたバックアップ機器は、このレベルを超えてはならない。ヒューズは、この限度を徹底するために非常用回路に設けられ、安全性を確保すると共にシステムを保護する。

代替の構成では、電力網非依存ソケット３８を設置してもよい（これらのソケットは、図３において便宜上別個に示してあるが、実際には家庭用負荷２４の一部である）。これらのソケットは、電力網電源が通じているときは通常そこから電力を供給されるが、主電源が停電のときには、ｄｃｈｐユニット２５から電力を供給される。

この構成では、電力網非依存制御は電力網非依存モジュール３５によって提供されるが、このモジュールはｄｃｈｐユニット制御基板３３に一体化することができる。また多くの標準電気ソケットは、需要者の選択した機器に電力を供給するために利用できる。電力網電源が通じていてもいなくても、これらのソケットが電源につながれているので、機器の重複が避けられる。

ここで電力網非依存モジュールについて、図４に関連して説明する。

電力網非依存モジュール３５は、ｄｃｈｐユニットに、外部主電源が通じていない状態で運転するのに必要な追加的機能を提供する。バッテリ、充電器または同様の電源４１によって、限定的な能力の電源を提供され、電力網非依存運転（以下を参照）下での再始動が可能となる。この電源から電力を供給して、制御回路、点火器および炎検出器４２を制御し、バーナの点火を可能とし、またパルス発生器４３を始動してスターリングエンジンの往復動を開始する。点火器および炎検出器４２は、図５において電力網非依存モジュールの一部として示されているが、代わりに、ｄｃｈｐユニット制御システムの一部とすることも可能である。

交流発電機からの電力は、電力網インタフェース２７を介し、電力網非依存モジュール３５を通して供給される。交流発電機電圧は、連続的に監視されていると共に、電圧制御システム４５によって安全な運転レベル以下に維持されている。このシステム４５は、波動制御技術を用い、電力放出部４７を通して過剰電力を放出する。この放出部は、空冷式抵抗器または水冷式抵抗器（浸水湯沸かし器のような）のいずれかにすることができる。したがって、過電圧は、数ミリ秒の時間定数で防ぐことができ、有害な過電圧からスターリングエンジンを保護する。たとえば、構成要素の故障のために過電圧が度を超えた場合には、緊急遮断が実行されてエンジンが停止する。

電流制御部４６は、電流が安全閾値を超えた場合、インピーダンス変換波動制御技術を用いてｄｃｈｐシステムの過剰電力需要を制御する。電流制御部４６は、交流発電機の運転中に、過剰な負荷を加えられることにより交流発電機が止まることを防ぐ。この過剰負荷は、ユーザが電力網非依存運転中に過大な負荷を接続すると発生する。

通常の運転中、許容できる電力出力を維持するために波形のピーク電圧が減少されるのにともなって、電流制御部４６は、供給電流が管理された方法で上昇するのを可能とする。これによって、以下に説明するように、安全な過電流警報余裕が提供される。追加的な過電流警報は光または可聴ブザー４８の形態で提供され、これらはユニットの外部または住居内の適切な見える場所に配置される。電流制御部は、一定の家庭用機器（たとえば、テレビ、コンピュータモニタ、電動機など）が要求する始動電流を供給するために、電流／電圧比率（電力を一定に保つ）を変化させることができる。

高電流は短期間供給されるだけであり、その後電流がまだ高い場合には、その出力は遮断される。低電圧で供給される高電流もまた、必要に応じてシステムがヒューズを溶断することができるように確保する。

代替構成では、家庭用負荷回路と直列に設置された追加的な可変抵抗器が組み込まれる。この抵抗器は、負荷回路のインピーダンスを増加し、電圧を下げるように働く。

自動電圧制御および電流制御の両方に用いられている波動制御技術は、入力電力流から電流を引き出し、電力を再構成して、所望の電圧レベルの出力波形を形成することによって動作する。伝えられる電流は、駆動される装置におけるインピーダンスの関数であり、これは、自動電圧制御の場合にはダンプ抵抗であり、電流制御の場合には需要者負荷インピーダンス（customer load impedance）である。したがって、波動制御の主な機能は、予めプログラムした制御アルゴリズムを用いて出力電圧の振幅を変化させ、入力電圧制御または出力電流制御の２つの制御機能を提供することである。

波動制御技術は、従来のインバータ技術と比較して、程度の高い制御および波形の操作を実現する。

エンジン自動始動手順
ｄｃｈｐユニットの投入が経済的に有利なときだけ発電するように、ｄｃｈｐユニットを制御する手法には、スターリングエンジンの停止のために時間の一部を使うことが必然的に必要となる。エンジンの通常の始動手順（ソフトスタート）では、主電源からの電圧パルスを使用して往復動を開始させる。場合によっては、エンジンは、電力網電源からの助けなしに始動することが必要なこともある。

この目的のために、自己出力形ｄｃｈｐユニットには、この単独での始動を可能とする小さなバッテリ（上記で説明したような）が含まれる。バッテリは、ｄｃｈｐユニットが発電するとすぐに、ユニットの電力出力から再充電される。バッテリは、実際にはバックアップ電力を供給するものではない。したがって、そのサイズは最小限に保つことができる。小さくて充電可能なタイプのバッテリ（鉛蓄電池、ニッケルカドミウムまたはニッケルハロゲン化物などの種類）が現在では好まれているが、任意の充電可能な種類を組み込むことが可能である。たとえば、キャパシタを含む限られた容量の電力蓄積装置であって、他の任意の代替の種類もまた使用可能である。これはサイズが小さいので、最小限のコストで使い捨てにできる。バッテリが満たすこの始動電力需要の他は、ｄｃｈｐユニットは、外部電力をなにも必要としないので、いつまでも完全に独立して運転することができる。

主電源が停電した状態での始動には、４ステップの手順が必要である。すなわち、（１）回路網の安全性要件を満たすための家庭用回路の断路（電力網断路部３９による）、（２）ヒータヘッドバーナ２の点火、（３）記録されるヒータヘッド温度が目標温度、たとえば２２０℃に達したとき、バックアップバッテリがＤＣ方形波電圧パルスを供給して、交流発電機を動かし、これによりエンジンの往復動を開始させること、（４）ヒータヘッド温度が上昇するのにつれて、電力出力が増加してバックアップ電力需要に一致すること（最大電力出力は最大の運転中のヒータヘッド温度で約１．１ｋＷ）である。

過電流警報
主電源の停電中に、電気機器の電力需要がスターリングエンジンの能力を超えている場合には、スターリングエンジンに損傷が発生し得る。これを避けるために、非依存回路に接続される機器を制限することができる。しかしながら、非接続ソケット３８が需要者に利用可能な場合には、電力需要の制御は需要者の手にある。したがって、スターリングエンジンの過剰負荷を避けるためには、バックアップ回路になんらかの電気的な過電流装置の形態が存在することが重要である。

この装置は、限度を超えるとすぐに（たとえば、追加の機器をプラグで接続したとき）供給を切断する役割を果たし、瞬時に働くヒューズ／トリップにしてもよい。これにより完全な電力遮断になるであろうし、非常用機器を伴う場合には不都合なことになる可能性もある。個別機器の電力消費に関する需要者の認識は、この点に関して役立つが、それに依存して、回路の需要を遮断閾値以下に維持することはできない。

したがって、需要者にとって「高電流」警報期間のある代替構成を提供することができる。これは以下に説明するが、これによって、電流は名目上の最大値よりも約１０％上昇することができる。この過電流期間に、電圧は、電力を発電機の限界内に維持するために、比例して減少する。この結果、電力網非依存回路に設置された機器の性能は、若干低下する。この低下が需要者の目を引くことによって、限度が超えられようとしているという警報としての役割が果たされる。過電流表示器は、また、光または可聴ブザー４８として存在する。しかしながら、この許容された電圧低下は、入力電圧に対し高感度となる可能性のある機器（ＶＣＲ装置、医療ポンプ等）に損傷を起こさないようなレベルである。

この「高電流」警報を出す機能は、図５の電流制御部４６によって提供される。過剰な電流需要が発生すると、電流制御部４６は、電圧波形の振幅を縮小するインピーダンス変換器機能を用いて、ピーク出力電圧を低減する。あるいは、家庭用負荷回路と直列に設置された可変抵抗器を電流制御部４６によって制御し、負荷のインピーダンスを増加する。これにより、制御した方法で負荷全体の電圧を低減して、負荷に適合するように電流が上昇するのを可能とする一方、出力電力を安全な運転レベルに維持する。

需要者は、他の家庭用回路への供給停止によって、回路が電力網非依存状態にあることに気づくはずであるし、電力網非依存回路に設置された機器を制限する必要があることとして、過電流の影響または他の警報を解釈できるであろう。過電流の表示に対して需要者が行動することを怠って最終限度を超えた場合には、結果として完全な停電となるであろうから、その結果、電力網非依存電力需要の強制的な削減となる。ｄｃｈｐユニット供給部への供給電力は、電力網非依存回路の残りを切断されるにも関らず、継続される。したがって、住居は、電力が切断されたときでも、熱源がなくなることはない。需要が削減されるとすぐに（たとえば、回路から機器のプラグを抜く）、安全器がリセットされて、電力網非依存回路への供給が再開される。

主電源の質的低下による電力網の切断
電力網からの切断は、主電源の停電時に発生することに加えて、供給困難から供給の質が悪化し、主電源が予め設定した限度から外れた場合にも発生する。質的に低下した電力は、その電力を供給される家庭用機器に有害な影響を与える可能性があるので、ｄｃｈｐユニット２５は、需要者がどのような供給変動からも高感度機器を保護できるように、代替電源を提供する。したがって、切断は、必ずしも主電源が停電したことを意味するのではなく、単に、主電源が、許容できる質の電源を示す特定の限度内にないことを意味している。このような状況では、主電源が、許容できる質的レベルに回復するまで、ｄｃｈｐユニットが発生する電気は電力網非依存回路に供給され、主電源は住居の残りに電力を供給することになるであろう。

熱／電気負荷の一致
ｄｃｈｐユニット２５が、主電源と並列に運転されているとき、このユニットは、発生した過剰電力を電力網へと送出すると共に、家庭用熱需要を満たすように動作する。熱需要が十分な限り、エンジンはフル稼働で作動し、バーナは可能な限り最も経済的な方法で需要に対応するように調節される。電圧制御の受動的形態を提供する電力シンクとして電力網が使用されるので、電力を捨てる必要はない。この方法では、主電源に接続されたユニットは比較的単純にすることができる。あるいは、熱の需要が低くて電気の需要が高い可能性もある。電力網が接続されている場合には、ｄｃｈｐユニットは、熱需要に対応することができる一方、追加的な電力を電力網から導入されて家庭用の需要に対応する。

主電源が停電の場合、ｄｃｈｐユニットの運転モードは、家庭の電力および熱需要によって決定される。熱需要がある場合には、スターリングエンジンは、ユニット供給部（制御回路、ポンプ等）に供給する十分な電力（約２００Ｗ）を発生するために運転されなければならない。これを超える電力は、スターリングエンジンバーナがその最小出力設定でも生成されるだろうから、余計な電力は、その場で需要がない場合には捨てなければならない。電力網に接続されていない場合には、この電力シンクは住居に限る必要がある。

電力放出構成
発生電力に対して限定された需要しかない場合にユニットを運転できるように、家庭用温水システムに供給される冷水に配置された水冷式抵抗器に、電力を供給することができる。この抵抗器は、任意の従来型水加熱設備にあるように、余剰電力を熱に変換する浸水湯沸かし器としての役割を果たす。浸水湯沸かし器がすでに住居にある場合には、これを代替／追加的熱放出器として使用可能である。あるいは、電力網非依存モジュールは、過剰電力を消散するために、ファン冷却式抵抗器を組み込んでいる。

熱放出構成
排熱に対する何らかの需要なしには、スターリングエンジンは運転できないので、電力網非依存運転では、過剰熱を使用することが必要である。家庭用加熱システムラジエータの熱容量は、生成された熱に対してシンクを提供できるが、ラジエータがスイッチを切られて温水が必要とされていない場合には、水の温度は徐々に上昇する。低い温度に依存するスターリングエンジンの性能は、その後すぐに低下し始める。システムの水温が過度になると、誘導弁からの補足的な空気流を用いて空気冷却を追加することができる。

電力網の再接続
電力網保護制御部２６が主電源の回復を検出すると、ユニットは一時的に停止される。この停止が必要なのは、ｄｃｈｐユニットが電力網電源から切断されるときのその自然な周波数で動作するからである。これは、通常の電力網周波数とわずかに異なっており、電力網非依存運転期間後に同期をとられていない。停止を実施し、電力網断路モジュール３９で再接続が行われた後、再始動する。往復動を開始するための、電力網電源からの電圧パルスを用いた通常の電力網始動手順に従って再始動することができ、ｄｃｈｐユニットは電力網と並列にその運転を再開する。

現在の法的要件の意味するところでは、電力網電源は、３分間予め設定した制限内にあるものと計測されるまで再接続することはできない。したがって、スターリングエンジンは、この条件が満たされるまでは停止されない。これによって確実になるのは、極めて重要な家庭用機器に電気を供給している可能性のある電力網非依存回路は、安全な再接続を確保するために必要があるよりも長い間、停止しないということである。電力網電源が３分間電力網保護制限内にあると計測されると、再接続手順はつぎにようになる。
１． スターリングエンジンバーナの停止。
２． 電力網インタフェース２７でｄｃｈｐユニット２５を電力網非依存回路から切断。すなわち、電力網非依存回路の停止。
３． 電力網断路モジュール３９で電力網電源を再接続。すなわち、電力網非依存回路は主電源から電力を供給される。
４． 一般に、約１０分後にヒータヘッド温度が２００℃未満に低下し、エンジン１が停止するまで待機。
５． 電力網インタフェース２７でｄｃｈｐユニットを再接続。
６． スターリングエンジンバーナ２の再始動。
７． ヒータヘッド温度が約２２０℃になるまで待機。
８． 再始動パルスを送って、スターリングエンジンの往復動を初期設定する。

この停止は、需要者に不便はかけないであろう。なぜなら、主電源回路が再び動作するし、電力網非依存回路は、上記のステップ２と３間で瞬間的に電力がなくなるにすぎないからである。それでもこの再接続期間に熱需要がある場合には、補足バーナ１２が引き続き動作する。ユニット供給部は電力網非依存回路の一部から電力を得るので、ポンプ等は引き続き機能し、再接続された主電源から電力を供給され、それにより、加熱システム内の過熱を防ぐ。

代替構成を取り入れることができる。この場合、抵抗器ベースの電力網インタフェース回路（電力網インタフェース２７に使用され、国際公開第０１／６９０７８号パンフレットに開示されているような）を用いて、エンジン停止なしに、電力網電源の再接続を可能とする。これにより、電力網インタフェース回路の「メイク・ビフォア・ブレイク」リレー接点配列を利用して、電力網非依存回路における円滑な再同期化が確実に行われる。

別の代替構成では、電力網断路ポイント３９で同期回路を使用する。これにより、主電源およびｄｃｈｐ電源の電圧波形を監視し、比較する。電圧波形が同期していると検出されるとすぐに、接続がなされる。

システムへの様々な入力および出力を示すスターリングエンジンシステムの略図である。 既存の電力システムの略図である。 図２に類似しているが、本発明によるシステムを示す略図である。 電力網非依存モジュールの動作を示す略図である。

Claims (17)

1. 家庭用住居における熱および電力需要を提供するための家庭用電力システムであって、
   通常の運転条件において前記家庭用電力需要の少なくとも一部を満たす主電源との接続部と、
   可燃性燃料供給源を備え、電力出力および前記家庭用熱需要の少なくとも一部を満たす熱出力を生成し、前記主電源が停電のときに運転可能な家庭用熱電併給ユニットと、
   前記主電源の遮断を検出するための手段と、
   主電源の停電時における電力需要が家庭用全電力需要よりも低い、選択された電気消費装置にバックアップ電源を提供するために、主電源の停電時に、前記家庭用熱電併給ユニットからの電力出力を自動的に接続するための手段と、を含むシステム。
2. 前記家庭用熱電併給ユニットは、
   交流発電機を介して電力出力を生成する往復動部材を駆動するエンジンヘッドに、熱エネルギを入力するバーナを含むスターリングエンジンと、
   始動システムと、を含み、
   前記始動システムは、
   前記ユニットの始動を制御するための制御手段と、
   前記バーナを点火する点火器と、
   前記エンジンヘッドが閾値温度に達したと前記制御手段により判定されたときに、前記往復動部材を動かすために前記発電機に電気信号を供給するパルス発生器と、
   始動動作の間に、前記制御手段、前記点火器および前記パルス発生器に電力を供給する、局所的に限られた電源と、を含む請求項１に記載のシステム。
3. 主電源の停電中に、前記家庭用熱電併給ユニットの電力出力を、前記ユニットの所定の最大利用可能電力出力以下の値に制限するように構成されている電力出力リミッタをさらに含む請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記電力出力リミッタは、主電源が停電中で、負荷が引き出す電流が、前記家庭用熱電併給ユニットによって供給される通常の運転電圧において当該ユニットから引き出すことが可能な最大電流を超える場合には、前記瞬間的なピーク電圧を前記通常の運転電圧より小さい値に制御するように構成されたコントローラである請求項３に記載のシステム。
5. 前記コントローラは、インピーダンス変換波形コントローラである請求項４に記載のシステム。
6. 前記負荷が引き出す電流が前記通常の運転ＲＭＳ電圧で引き出すことが可能な前記最大電圧を超えている時間量を、測定するように構成されているタイマをさらに含み、
   前記家庭用熱電併給ユニットの電力出力は、前記測定された時間が所定の閾値を超える場合には、前記選択された電気消費装置による使用から断路される請求項４または５に記載のシステム。
7. 前記可燃性燃料供給源は、家庭用ガス供給源である請求項１ないし６のいずれか一項に記載のシステム。
8. 家庭用熱電併給ユニットは、スターリングエンジンを含む請求項１ないし７のいずれか一項に記載のシステム。
9. 前記スターリングエンジンは、線形フリーピストン・スターリングエンジンである請求項８に記載のシステム。
10. 前記選択された電気消費装置は、家庭用住居で普通に電力を供給される装置から完全に分離された構成要素である請求項１ないし９のいずれか一項に記載のシステム。
11. 前記選択された電気消費装置は、前記家庭用住居で普通に電力を供給される装置の一部であり、
    前記システムは、主電源の停電時に、様々な電気消費装置を選択的に切断する手段を提供されている請求項１ないし９のいずれか一項に記載のシステム。
12. 前記主電源の遮断を検出するための手段は、また、前記主電源の主電圧または周波数が許容レベルから外れているときに検出可能である請求項１ないし１１のいずれか一項に記載のシステム。
13. 過剰な電気を消費する電気シンクをさらに含む請求項１ないし１２のいずれか一項に記載のシステム。
14. 前記電気シンクは、空冷式または水冷式抵抗器の形態で提供される請求項１３に記載のシステム。
15. 過剰な熱を消費する熱シンクをさらに含む請求項１ないし１４のいずれか一項に記載のシステム。
16. 前記熱シンクは、前記家庭用熱電併給ユニットから熱出力を消散することができる補足空気流である請求項１５に記載のシステム。
17. 前記熱シンクは、家庭用セントラルヒーティングシステムのラジエータである請求項１５に記載のシステム。

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