JP4889214B2 - コージェネレーションシステム - Google Patents

Description

本発明は、熱と電力とを併せて発生する熱電併給装置と、前記熱電併給装置で発生された熱を回収して湯水として貯える貯湯槽と、前記熱電併給装置の運転を制御する運転制御手段とが設けられているコージェネレーションシステムに関する。

かかるコージェネレーションシステムでは、エンジン駆動発電機や燃料電池等の熱電併給装置を備えて、熱電併給装置の発電電力を電気機器等の電力消費部に供給すると共に、熱電併給装置の発生熱を、例えばその熱により加熱した湯水として一旦貯湯槽に貯えて、給湯部や暖房機器等の熱消費部に供給するように構成される。
そして、このようなコージェネレーションシステムを各家庭等に設けることで、その家庭で消費される電力の少なくとも一部を熱電併給装置の発電電力で補うことができるので、商用電源からの受電電力を少なくすることができる上に、そのときの発生熱を湯水として利用することができるため、省エネルギ性及び経済性の点で有効である。

このようなコージェネレーションシステムでは、例えば、運転制御手段により、１０分〜１時間等の比較的短い出力調整周期で、熱電併給装置の出力を、電力消費部における電力負荷に対して追従する電主出力に設定する電主運転制御を実行するように構成される場合がある。
そして、このような電主運転制御を実行する場合において、出力調整周期毎に、その出力調整周期内の予測電力負荷及び予測熱負荷を用いて省エネルギ性の向上を目的としたシミュレーションを実行し、そのシミュレーション結果から、熱電併給装置を起動してその出力を電主出力に設定するか、熱電併給装置を停止するかを判断するように構成されたコージェネレーションシステムが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。
即ち、この特許文献１に記載のコージェネレーションシステムは、上記出力調整周期毎の省エネルギ性が向上するように、熱電併給装置を断続的に稼動させるものであるといえる。

熱電併給装置として燃料電池を採用したコージェネレーションシステムでは、起動や停止に伴うエネルギ損失やセルの劣化を抑制するために、運転制御手段によりその熱電併給装置を連続的に稼動させるように構成する場合がある。
しかし、上記のように熱電併給装置を連続的に稼動させた場合には、熱電併給装置の発生熱が熱負荷に対して過剰なものとなってしまう場合がある。

そこで、運転制御手段が、季節毎等の判定時点において、月日や温度センサで測定した気温や市水温度により寒冷期か温暖期かを判断し、寒冷期であると判断した場合には、熱電併給装置を連続的に稼動させて、上記のような起動や停止に伴う問題を抑制し、一方、温暖期であると判断した場合には、熱電併給装置の断続的に稼動させて、過剰な熱余り状態を抑制するように構成されたコージェネレーションシステムが知られている（例えば、特許文献２を参照。）。

特開平８−８６２４３号公報 特開２００４−６２１７号公報

上記特許文献１に記載のコージェネレーションシステムは、次の出力調整周期よりも後の電力負荷や熱負荷とは関係なく、熱電併給装置を起動してその出力を電主出力に設定するか、熱電併給装置を停止するかを判断するように構成されている。よって、例えば、出力調整周期よりも後の熱負荷が比較的大きいにも拘わらず、その出力調整周期において熱電併給装置が停止されてしまい、結果、起動や停止に伴うエネルギ損失やセルの劣化を適切に抑制することができない上に、比較的大きい熱負荷に対して十分な分の湯水を貯湯槽に貯えておくことができない所謂熱不足状態が発生してしまう場合がある。逆に、出力調整周期よりも後の熱負荷が比較的小さいのにも拘わらず、その出力調整周期において熱電併給装置が起動されてしまい、結果、比較的小さい熱負荷に対して過剰な湯水を貯湯槽に貯えてしまう所謂熱余り状態が発生してしまう場合がある。

即ち、上記特許文献１のコージェネレーションシステムでは、比較的短い出力調整周期毎に、電力負荷や熱負荷に基づいて熱電併給装置の運転形態を変更するので、その電力負荷や熱負荷が一時的に特異なものとなった場合に、それに従って運転形態を変更してしまい、出力調整周期よりも長い期間では、起動や停止に伴うエネルギ損失及びセルの劣化や、熱不足状態や熱余り状態による省エネルギ性の悪化等の問題を、適切に抑制できない場合があった。

また、特許文献２に記載のコージェネレーションシステムでも、寒冷期か温暖期かを判断して、その期間において、熱電併給装置を連続的に稼動させるか断続的に稼動させるかを判断するように構成されている。よって、例えば、熱負荷が比較的小さいにも拘わらず寒冷期において熱電併給装置を連続的に稼動させてしまい、結果、熱余り状態が発生する場合がある。逆に、熱負荷が比較的大きいのにも拘わらず、温暖期において熱電併給装置を断続的に稼動させてしまい、結果、起動や停止に伴うエネルギ損失やセルの劣化を適切に抑制することができない上に、熱不足状態が発生してしまう場合がある。

即ち、上記特許文献２のコージェネレーションシステムでは、電力負荷や熱負荷によらず、上記寒冷期か温暖期かにより、熱電併給装置の稼動形態を選択していたので、電力負荷や熱負荷の状態によっては、起動や停止に伴うエネルギ損失及びセルの劣化や、熱不足状態や熱余り状態による省エネルギ性の悪化を、適切に抑制できない場合があった。

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、熱電併給装置の稼動形態を適切に選択して、起動や停止に伴うエネルギ損失やセルの劣化と、熱不足状態や熱余り状態による省エネルギ性の悪化との両方を、適切に抑制することができるコージェネレーション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コージェネレーションシステムは、熱と電力とを併せて発生する熱電併給装置と、前記熱電併給装置で発生された熱を回収して湯水として貯える貯湯槽と、前記熱電併給装置の運転を制御する運転制御手段とが設けられているコージェネレーションシステムであって、その第１特徴構成は、前記運転制御手段が、判定時点において稼動モード選択処理を実行して連続稼動モードと断続稼動モードとから選択した一の稼動モードで前記熱電併給装置を稼動させるように構成され、
前記連続稼動モードが、前記判定時点からの判定対象期間において前記熱電併給装置を連続的に稼動させる稼動モードであり、
前記断続稼動モードが、前記判定対象期間において前記熱電併給装置を断続的に稼動させる稼動モードであり、
前記運転制御手段が、前記稼動モード選択処理において、前記連続稼動モードと前記断続稼動モードとの夫々によって前記熱電併給装置を運転すると仮定したときの予測電力負荷及び予測熱負荷についての、前記熱電併給装置を稼動しない場合のエネルギ消費量からのエネルギの削減量である予測エネルギ削減量を演算し、前記連続稼動モードと前記断続稼動モードとのうちの前記予測エネルギ削減量が優れた方の稼動モードを選択する点にある。

上記第１特徴構成によれば、上記運転制御手段により、例えば熱電併給装置の出力が調整される出力調整周期（例えば数分〜１時間）よりも比較的長い判定対象期間（例えば２４時間）において、上記連続稼動モードと上記断続稼動モードとのうち上記予測エネルギ削減量が優れた方の稼動モードで、熱電併給装置を稼動することができるので、起動や停止に伴うエネルギ損失やセルの劣化と、熱不足状態や熱余り状態による省エネルギ性の悪化との両方を、適切に抑制することができる。

即ち、判定対象期間において連続稼動モードで熱電併給装置を運転すると仮定したときの予測エネルギ削減量が断続稼動モードで運転すると仮定したときの予測エネルギ削減量よりも小さい場合には、運転制御手段は、断続稼動モードを選択して判定対象期間において熱電併給装置を断続的に稼動させることで、熱余り状態を抑制して、省エネルギ性の向上を図ることができる。一方、判定対象期間において連続稼動モードで熱電併給装置を運転すると仮定したときの予測エネルギ削減量が断続稼動モードで運転すると仮定したときの予測エネルギ削減量よりも大きい場合には、運転制御手段は、連続稼動モードを選択して判定対象期間において熱電併給装置を連続的に稼動させることで、熱不足状態を抑制して高い省エネルギ性を確保しながら、起動や停止に伴うエネルギ損失やセルの劣化を適切に抑制することができる。

本発明に係るコージェネレーションシステムの第２特徴構成は、前記断続稼動モードが、前記判定対象期間において前記予測エネルギ削減量が最大となるように、前記熱電併給装置の稼動時間帯を設定する稼動モードである点にある。

上記第２特徴構成によれば、判定対象期間における稼動モードとして断続稼動モードが選択された場合において、上記予測エネルギ削減量が最大となる稼動時間帯において熱電併給装置を稼動させる形態で、熱電併給装置を断続的に稼動させ、省エネルギ性の一層の向上を図ることができる。

本発明に係るコージェネレーションシステムの第３特徴構成は、前記断続稼動モードが、前記判定対象期間において前記熱電併給装置の稼動時間帯が異なる複数の仮運転パターンの夫々の前記予測エネルギ削減量を、前記判定対象期間における予測電力負荷と前記判定対象期間における予測熱負荷とに基づいて演算して、前記予測エネルギ削減量が最大となるように、前記判定対象期間において前記熱電併給装置の起動時刻と停止時刻を設定する第１断続稼動モードを含む点にある。

上記第３特徴構成によれば、上記第１断続稼動モードにより、予測エネルギ削減量が最大となるように熱電併給装置の稼動時間帯を設定する断続稼動モードを実現することができる。
即ち、上記第１断続稼動モードにおいては、判定対象期間において稼動時間帯が異なる複数の仮運転パターンから、判定対象期間における予測電力負荷及び予測熱負荷に基づいて演算された予測エネルギ削減量が最大となる仮運転パターンを選択する形態で、熱電併給装置の稼動時間帯を規定する起動時刻と停止時刻とを設定するので、判定対象期間での熱余り状態を抑制して、省エネルギ性の向上を図ることができる。

本発明に係るコージェネレーションシステムの第４特徴構成は、前記断続稼動モードが、前記判定対象期間において前記熱電併給装置の稼動時間帯が異なる複数の仮運転パターンの夫々の前記予測エネルギ削減量を、前記判定対象期間における予測電力負荷と前記判定対象期間よりも長い熱負荷判定対象期間における予測熱負荷とに基づいて演算して、前記予測エネルギ削減量が最大となるように、前記判定対象期間において前記熱電併給装置の起動時刻と停止時刻を設定する第２断続稼動モードを含む点にある。

上記第４特徴構成によれば、上記第２断続稼動モードにより、予測エネルギ削減量が最大となるように熱電併給装置の稼動時間帯を設定する断続稼動モードを実現することができる。
即ち、上記第２断続稼動モードにおいては、判定対象期間において稼動時間帯が異なる複数の仮運転パターンから、判定対象期間における予測電力負荷更にはその判定対象期間よりも長い熱負荷判定対象期間（例えば４８時間又は７２時間）における予測熱負荷に基づいて演算された予測エネルギ削減量が最大となる仮運転パターンを選択する形態で、熱電併給装置の稼動時間帯を規定する起動時刻と停止時刻とを設定するので、判定対象期間更にはそれよりも長い熱負荷判定対象期間での熱余り状態を抑制して、省エネルギ性の一層の向上を図ることができる。

本発明に係るコージェネレーションシステムの第５特徴構成は、前記運転制御手段が、前記熱電併給装置の稼動時に前記熱電併給装置の出力を電力負荷に対して追従する電主出力に設定する電主運転制御を実行する点にある。

上記第５特徴構成によれば、上記運転制御手段が熱電併給装置の稼動時に上記電主運転制御を実行することで、熱電併給装置の発電電力を電力負荷に合った適切なものとして、商用電源からの受電電力及び発電出力の電力負荷に対する余剰分である余剰電力をできるだけ少なくして、省エネルギ性の一層の向上を図ることができる。

本発明に係るコージェネレーションシステムの第６特徴構成は、前記運転制御手段が、前記連続稼動モードにおいて、熱余り状態が予測される場合に前記熱電併給装置の出力を前記電主出力よりも小さい抑制出力に設定する抑制運転を実行可能に構成され、
前記熱電供給装置の出力と商用電源からの受電電力にて現電力負荷を補うように構成されている点にある。

上記第６特徴構成によれば、上記運転制御手段が、連続的に熱電併給装置を稼動すると共に、その稼動時に電主運転制御を実行する連続稼動モードにおいて、予測熱負荷が予測電力負荷に対して比較的小さく熱余り状態が予測される場合に、上記抑制運転を実行して、上記熱電併給装置の出力を抑制出力に減少させ、上記熱電併給装置の熱の発生を抑制して、上記熱余り状態を抑制することができる。

本発明に係るコージェネレーションシステムの第７特徴構成は、前記抑制出力が、現電力負荷へ供給する電力の全てを前記商用電源からの受電電力で補うのではなく前記熱電併給装置の発電電力で補うことによるメリットを発電メリットとしたときに、前記熱電併給装置の出力を前記電主出力に設定したときの発電メリットよりも優れた発電メリットを発揮する最大出力に設定されている点にある。

上記第７特徴構成によれば、上記運転制御手段が、上記抑制運転を実行して上記熱電併給装置の出力を抑制出力に減少させることで商用電源からの受電電力が増加する場合において、電力負荷へ供給する電力を商用電源からの受電電力で補うのではなく熱電併給装置の発電電力で補うことによるメリットを上記発電メリットとし、その抑制運転時の抑制出力を、電主出力よりも小さい出力のうち、熱電併給装置の出力を電主出力に設定したときの発電メリットよりも優れた発電メリットを発揮する最大出力に設定することで、受電電力の増加をできるだけ抑制しながら、その受電電力の増加による省エネルギ性の減少分の一部を発電メリットの向上により相殺することができる。

本発明に係るコージェネレーションシステムの第８特徴構成は、前記運転制御手段が、前記連続稼動モードにおいて、熱不足状態が予測される場合に前記熱電併給装置の出力を前記電主出力よりも大きい強制出力に設定する強制運転を実行可能に構成されている点にある。

上記第８特徴構成によれば、上記運転制御手段が、連続的に熱電併給装置を稼動すると共に、その稼動時に電主運転制御を実行する連続稼動モードにおいて、予測熱負荷が予測電力負荷に対して比較的大きく熱不足状態が予測される場合に、上記強制運転を実行して、上記熱電併給装置の出力を強制出力に増加させ、上記熱電併給装置の熱の発生を強制して、上記熱不足状態を抑制することができる。

本発明に係るコージェネレーションシステムの第９特徴構成は、前記強制出力が、熱負荷へ供給する熱を補助加熱手段の発生熱で補うのではなく前記熱電併給装置の発生熱で補うことによるメリットを発熱メリットとしたときに、前記熱電併給装置の出力を前記電主出力に設定したときの発熱メリットよりも優れた発熱メリットを発揮する最小出力に設定されている点にある。

上記第９特徴構成によれば、上記運転制御手段が、上記強制運転を実行して上記熱電併給装置の出力を強制出力に増加させることで余剰電力が増加する場合において、熱負荷へ供給する熱を補助加熱手段の発生熱で補うのではなく熱電併給装置の発生熱で補うことによるメリットを上記発熱メリットとし、その強制運転時の強制出力を、電主出力以上の出力のうち、熱電併給装置の出力を電主出力に設定したときの発熱メリットよりも優れた発熱メリットを発揮する最小出力に設定することで、余剰電力の増加をできるだけ抑制しながら、その余剰電力の増加による省エネルギ性の減少分の一部を発熱メリットの向上により相殺することができる。

本発明に係るコージェネレーションシステムについて図面に基づいて説明する。
このコージェネレーションシステムは、図１及び図２に示すように、電力と熱とを発生する熱電併給装置としての燃料電池１と、その燃料電池１が発生する熱を冷却水にて回収し、その冷却水を利用して、貯湯槽２への貯湯及び熱消費端末３への熱媒供給を行う貯湯ユニット４と、燃料電池１及び貯湯ユニット４の運転を制御する運転制御手段としての運転制御部５などから構成されている。

前記燃料電池１は、その出力を調整可能に構成され、その燃料電池１の電力の出力側には、系統連系用のインバータ６が設けられ、そのインバータ６は、燃料電池１の発電電力を商用電源７から受電する受電電力と同じ電圧及び同じ周波数にするように構成されている。
前記商用電源７は、例えば、単相３線式１００／２００Ｖであり、受電電力供給ライン８を介して、テレビ、冷蔵庫、洗濯機などの電力負荷９に電気的に接続されている。
また、インバータ６は、発電電力供給ライン１０を介して受電電力供給ライン８に電気的に接続され、燃料電池１からの発電電力がインバータ６及び発電電力供給ライン１０を介して電力負荷９に供給するように構成されている。

前記受電電力供給ライン８には、電力負荷９の負荷電力を計測する電力負荷計測手段１１が設けられ、この電力負荷計測手段１１は、受電電力供給ライン８を通して流れる電流に逆潮流が発生するか否かをも検出するように構成されている。
そして、逆潮流が生じないように、インバータ６により燃料電池１から受電電力供給ライン８に供給される電力が制御され、発電電力の余剰電力は、その余剰電力を熱に代えて回収する電気ヒータ１２に供給されるように構成されている。

前記電気ヒータ１２は、複数の電気ヒータから構成され、冷却水循環ポンプ１５の作動により冷却水循環路１３を通流する燃料電池１の冷却水を加熱するように設けられ、インバータ６の出力側に接続された作動スイッチ１４によりＯＮ／ＯＦＦが切り換えられている。
また、作動スイッチ１４は、余剰電力の大きさが大きくなるほど、電気ヒータ１２の消費電力が大きくなるように、余剰電力の大きさに応じて電気ヒータ１２の消費電力を調整するように構成されている。
尚、電気ヒータ１２の消費電力を調整する構成については、上記のように複数の電気ヒータ１２のＯＮ／ＯＦＦを切り換える構成以外に、その電気ヒータ１２の出力を例えば位相制御等により調整する構成を採用しても構わない。

前記貯湯ユニット４は、温度成層を形成する状態で湯水を貯湯する貯湯槽２、湯水循環路１６を通して貯湯槽２内の湯水を循環させる湯水循環ポンプ１７、熱源用循環路２０を通して熱源用湯水を循環させる熱源用循環ポンプ２１、熱媒循環路２２を通して熱媒を熱消費端末３に循環供給させる熱媒循環ポンプ２３、湯水循環路１６を通流する湯水を加熱させる貯湯用熱交換器２４、熱源用循環路２０を通流する熱源用湯水を加熱させる熱源用熱交換器２５、熱媒循環路２２を通流する熱媒を加熱させる熱媒加熱用熱交換器２６、ファン２７を作動させた状態でのバーナ２８の燃焼により貯湯槽２内から取り出した湯水及び熱源用循環路２０を通流する熱源用湯水を加熱させる補助加熱用熱交換器２９などを備えて構成されている。

前記湯水循環路１６は、その一部が並列になるように分岐接続され、その接続箇所に三方弁１８が設けられており、分岐された一方側の流路には、ラジエター１９が設けられている。
そして、三方弁１８を切り換えることにより、貯湯槽２の下部から取り出した湯水がラジエター１９を通過するように循環させる状態と、貯湯槽２の下部から取り出した湯水がラジエター１９をバイパスするように循環させる状態とに切り換えるように構成されている。

前記貯湯用熱交換器２４においては、燃料電池１から出力される熱を回収した冷却水循環路１３の冷却水を通流させることにより、湯水循環路１６を通流する湯水を加熱させるように構成されている。
前記熱源用熱交換器２５においては、燃料電池１が発生する熱を回収した冷却水循環路１３の冷却水を通流させることにより、熱源用循環路２０を通流する熱源用湯水を加熱させるように構成されている。
そして、補助加熱手段Ｍが、ファン２７、バーナ２８、補助加熱用熱交換器２９により構成されている。
また、熱源用循環路２０には、熱源用湯水の通流を断続させる熱源用断続弁４０が設けられている。

前記冷却水循環路１３は、貯湯用熱交換器２４側と熱源用熱交換器２５側とに分岐され、その分岐箇所に、貯湯用熱交換器２４側に通流させる冷却水の流量と熱源用熱交換器２５側に通流させる冷却水の流量との割合を調整する分流弁３０が設けられている。
そして、分流弁３０は、冷却水循環路１３の冷却水の全量を貯湯用熱交換器２４側に通流させたり、冷却水循環路１３の冷却水の全量を熱源用熱交換器２５側に通流させることもできるように構成されている。

前記熱媒加熱用熱交換器２６においては、熱源用熱交換器２５や補助加熱用熱交換器２９にて加熱された熱源用湯水を通流させることにより、熱媒循環路２２を通流する熱媒を加熱させるように構成されている。
前記熱消費端末３は、床暖房装置や浴室暖房装置などの暖房端末にて構成されている。

また、貯湯槽２から取り出した湯水を給湯するときの給湯熱負荷を計測する給湯負荷計測手段３１が設けられ、熱消費端末３での端末熱負荷を計測する端末熱負荷計測手段３２も設けられている。

前記運転制御部５は、燃料電池１の運転中には冷却水循環ポンプ１５を作動させる状態で、燃料電池１の運転及び冷却水循環ポンプ１５の作動状態を制御すると共に、湯水循環ポンプ１７、熱源用循環ポンプ２１、熱媒循環ポンプ２３の作動状態を制御することによって、貯湯槽２内に湯水を貯湯する貯湯運転や、熱消費端末３に熱媒を供給する熱媒供給運転を行うように構成されている。

ちなみに、給湯するときには、熱源用断続弁４０を閉弁した状態で貯湯槽２から取り出した湯水を給湯するように構成され、貯湯槽２から取り出した湯水を補助加熱手段Ｍにて加熱したり、貯湯槽２から取り出した湯水に水を混合させて、図外のリモコンにて設定されている給湯設定温度の湯水を給湯するように構成されている。
したがって、貯湯槽２では、貯湯槽２の容量の範囲内で、燃料電池１の出力に応じて追加された湯水から、給湯用として取り出された湯水を差し引いた分の湯水が貯湯されていることになる。

先ず、運転制御部５による燃料電池１の運転の制御について説明を加える。
前記運転制御部５は、燃料電池１の稼動時に燃料電池１の出力を、現在要求されている現電力負荷に対して追従する電主出力に設定する電主運転制御を実行する。

詳しくは、運転制御部５は、上記電流運転制御において、５分等の比較的短い所定の出力調整周期毎に、上記現電力負荷を求め、最小出力（例えば２５０Ｗ）から最大出力（例えば１０００Ｗ）の範囲内で、図３（ａ）に示すように連続的に、又は、図３（ｂ）に示すように段階的に、上記現電力負荷に追従する電主出力を決定し、燃料電池１の出力をその決定した電主出力に設定する。
尚、上記最小出力は、許容範囲内で０Ｗ又はそれに近い極めて小さい出力に設定しても構わない。

尚、上記現電力負荷は、電力負荷計測手段１１の計測値及びインバータ６の出力値に基づいて求められ、更に、その現電力負荷は、前の出力調整周期における電力負荷の平均値として求められる。

また、燃料電池１の出力として設定される電主出力は、現電力負荷に対して少なくとも所定の余裕分小さく設定されている。

運転制御部５は、所定の判定時点において、所定の稼動モード選択処理を実行して、所定の連続稼動モードと断続稼動モードとから選択した一の稼動モードで、燃料電池１を稼動させるように構成されている。

上記連続稼動モードは、判定時点からの上述した出力調整周期よりも長い２４時間等の判定対象期間において、燃料電池１を連続的に稼動させる稼動モードである。
即ち、運転制御部５は、連続稼動モードが選択された判定対象期間においては、燃料電池１を停止することなく連続的に稼動させ、その稼動時に上述した電主運転制御を実行する。

一方、上記断続稼動モードは、判定対象期間において、燃料電池１を断続的に稼動させる稼動モードである。
即ち、運転制御部５は、断続稼動モードが選択された判定対象期間においては、燃料電池１の起動及び停止を行って断続的に稼動させ、その稼動時に上述した電主運転制御を実行する。

更に、運転制御部５は、ある燃料電池１の運転パターンに対して、予測電力負荷及び予測熱負荷についてのエネルギの削減量である予測エネルギ削減量を演算可能に構成されており、その予測エネルギ削減量の演算方法について、説明を加える。

運転制御部５は、先ず、時系列的な過去の電力負荷及び熱負荷に基づいて、図４に示すような、判定時点以降の時系列的な予測電力負荷及び予測熱負荷を予測するように構成されている。

次に、運転制御部５は、予め設定された仮運転パターンにおける稼動時間帯において燃料電池１を稼動させる形態で上記予測電力負荷に対して電主運転制御を実行すると仮定して、燃料電池１の時系列的な予測発電電力及び予測発生熱を演算する。

そして、運転制御部５は、下記の［数１］に示すように、燃料電池１を稼動しない場合のエネルギ消費量を基準に、燃料電池１を上記仮運転パターンで稼動させた場合のエネルギ消費量の削減量を、上記予測エネルギ削減量として演算することができる。

［数１］
予測エネルギ削減量Ｐ＝燃料電池１を稼動しない場合のエネルギ消費量Ｅ１−燃料電池１を稼動した場合のエネルギ消費量Ｅ２

尚、上記燃料電池１を稼動しない場合のエネルギ消費量Ｅ１は、下記の［数２］に示すように、上記予測電力負荷の全てを商用電源７からの受電電力で補う場合の商用電源７におけるエネルギ消費量と、予測熱負荷の全てを補助加熱手段Ｍの発生熱で補う場合のエネルギ消費量との和として求められる。

［数２］
Ｅ１＝予測電力負荷／商用電源７の発電効率＋予測熱負荷／補助加熱手段Ｍの発熱効率

一方、燃料電池１を稼動した場合のエネルギ消費量Ｅ２は、下記の［数３］に示すように、上記予測電力負荷及び予測熱負荷を燃料電池１の予測発電電力及び予測発生熱で補う場合の燃料電池１におけるエネルギ消費量（燃料消費量）と、予測電力負荷から予測発電電力を差し引いた分に相当する不足電力負荷を商用電源７からの受電電力で補う場合の商用電源７におけるエネルギ消費量と、予測熱負荷から予測発生熱を差し引いた分に相当する不足熱負荷を補助加熱手段Ｍの発生熱で補う場合のエネルギ消費量との和として求められる。

［数３］
Ｅ２＝燃料電池１を稼動したときの燃料消費量＋不足電力負荷／商用電源７の発電効率＋不足熱負荷／補助加熱手段Ｍの発熱効率

また、上記燃料電池１を稼動した場合のエネルギ消費量Ｅ２を求める場合には、それに燃料電池１の起動時のエネルギロスや想定される待機時間等を加えることが望ましい。

上記のような燃料電池１を稼動した場合のエネルギ消費量Ｅ２を求める際の実施例について説明を加える。

図５（ａ）に示すように、午前０時の判定時点から２４時間の判定対象期間における１時間毎の夫々の時間において、予測電力負荷（ａ）及び予測熱負荷（ｍ）を求め、稼動時間帯を設定した仮運転パターンにおいて設定される稼動時間帯において設定される燃料電池１の電主出力（ｂ）を、その予測電力負荷（ａ）に対して追従する形態で求める。
尚、この際に、予測電力負荷が燃料電池１の最小出力以下である場合には、電主出力（ｂ）はその最小出力に設定されると共に、その差分が余剰電力量（ｉ）として求められる。一方、予測電力負荷が燃料電池１の最大出力以上である場合には、電主出力（ｂ）はその最大出力に設定されると共に、その差分が不足電力量（ｃ）として求められる。

夫々の時間において、電主出力（ｂ）と燃料電池１の発電効率（ｅ）から、燃料電池１の一次エネルギ消費量である燃料消費量（ｇ）を求めると共に、その燃料消費量（ｇ）と燃料電池１の発熱効率（ｆ）から燃料電池１の発生熱量（ｄ）を求める。

更に、夫々の時間において、貯湯槽２の最大容量以下の範囲内で、上記のような発生熱量（ｄ）から排熱ロス（ｈ）を差し引いたものを積算し、更に、それに余剰電力量（ｉ）から求めた電気ヒータ１２の発生熱量を加えたものから、貯湯槽２において放熱される貯湯放熱量（ｌ）と、予測熱負荷（ｍ）として利用された予測利用熱量（ｎ）と、を差し引いた分を、貯湯槽２に貯えられる貯湯熱量（ｋ）として求め、更に、貯湯槽２の最大容量を超える分の熱量をラジエター１９で放熱される余剰熱量（ｊ）として求める。

そして、判定対象期間における上記燃料消費量（ｇ）の合計と、不足電力量（ｃ）の合計と、貯湯熱量（ｋ）が予測利用熱量（ｎ）よりも小さい場合にその差として求められる不足熱負荷の合計とを、上記［数３］に代入することにより、上記のような燃料電池１を稼動した場合のエネルギ消費量Ｅ２を求めることができる。

尚、上記燃料電池１の発生熱量（ｄ）の合計と、余剰電力量（ｉ）から求めた電気ヒータ１２の発生熱量の合計との和が、燃料電池１の総発生熱量と認識することができ、更に、排熱ロス（ｈ）と余剰熱量（ｊ）と貯湯放熱量（ｌ）の夫々の合計の和に好ましくは起動ロスとを加えたものが、燃料電池１の総熱ロスと認識することができる。そして、この総発熱量から総熱ロスを差し引いた熱量の全てを熱負荷として利用できた場合には、予測エネルギ削減量は最大となり、このような予測エネルギ削減量を最大とする利用熱量をピーク利用熱量と呼ぶ。
また、判定時点における貯湯熱量（ｋ）即ち初期貯湯熱量を考慮するために、上記［数１］において、その初期貯量熱量を補助加熱手段Ｍの発生熱で補う場合のエネルギ消費量（初期貯湯熱量／補助加熱手段Ｍの発熱効率）を加算して予測エネルギ削減量を求めても構わない。また、この場合、上記のように求めたピーク利用熱量も、上記のような初期貯量熱量を補助加熱手段Ｍの発生熱で補う場合のエネルギ消費量が加算された値として求められる。

尚、時系列的な電力負荷、及び、時系列的な熱負荷は、運転制御部５により以下に示すように管理される。
即ち、運転制御部５は、例えば、熱負荷を給湯熱負荷と端末熱負荷として、単位時間あたりの実電力負荷、実給湯熱負荷、及び、実端末熱負荷の夫々を、電力負荷計測手段１１及びインバータ６の出力値、給湯熱負荷計測手段３１、及び、端末熱負荷計測手段３２にて計測する。
そして、運転制御部５は、電力負荷計測手段１１及びインバータ６の出力値、給湯熱負荷計測手段３１、及び、端末熱負荷計測手段３２にて計測された値を記憶することにより、時系列的な電力負荷及び時系列的な熱負荷を１時間毎に管理するように構成されている。
また、運転制御部５は、実際の使用状況に応じて時系列的な電力負荷及び時系列的な熱負荷を更新する場合には、電力負荷計測手段１１及びインバータ６の出力値、給湯熱負荷計測手段３１、及び、端末熱負荷計測手段３２にて計測された値と、既に記憶されている値とを所定の割合で足し合わせ、その足し合わせた値を記憶するように構成されている。

運転制御部５は、図６のフロー図に示すように、午前０時等の判定時点であるか否かを判定し（ステップ＃１１）、判定時点になると、後述する稼動モード選択処理（ステップ＃１２〜ステップ＃１５）を実行する。
詳しくは、この稼動モード選択処理においては、先ず、連続稼動モードによって燃料電池１を運転すると仮定したときの予測エネルギ削減量Ｐｃと、断続稼動モードによって燃料電池１を運転すると仮定したときの予測エネルギ削減量Ｐｉとを演算し（ステップ＃１２）、夫々の予測エネルギ削減量Ｐｃ，Ｐｉのうちどちらの方が優れているか即ち大きいかを判定し（ステップ＃１３）、予測エネルギ削減量Ｐｃの方が優れている場合には、連続稼動モードを選択し（ステップ＃１４）、予測エネルギ削減量Ｐｉの方が優れている場合には、断続稼動モードを選択する（ステップ＃１５）。
尚、夫々の予測エネルギ削減量Ｐｃ，Ｐｉが等しい場合には、起動や停止に伴うエネルギ損失やセルの劣化を抑制する目的で、連続稼動モードが選択される。

そして、上記判定時点以降の判定対象期間においては、燃料電池１は、上記のように稼動モード選択処理で選択された稼動モードで稼動される。
即ち、断続稼動モードの方が連続稼動モードよりも予測エネルギ削減量が大きい場合には、判定時点における稼動モード選択処理により断続稼動モードが選択され、それ以降の判定対象期間において燃料電池１が断続的に稼動されるので、熱余り状態が抑制され、省エネルギ性の向上が図られる。
一方、連続稼動モードの方が断続稼動モードよりも予測エネルギ削減量が大きい場合には、判定時点における稼動モード選択処理により連続稼動モードが選択され、それ以降の判定対象期間において燃料電池１が連続的に稼動されるので、熱不足状態が抑制されて高い省エネルギ性が確保されながら、起動や停止に伴うエネルギ損失やセルの劣化が適切に抑制される。

〔連続稼動モード〕
次に、連続稼動モードが選択された場合における運転制御部５による詳細な運転制御方法について、説明を加える。
運転制御部５は、連続稼動モードにおいて、電主運転制御を実行することにより、熱負荷に対して燃料電池１の発生熱が余る熱余り状態が予測される場合に、燃料電池１の出力を現電力負荷に追従した電主出力よりも小さい抑制出力に設定する抑制運転を実行可能に構成されている。
更に、運転制御部５は、連続稼動モードにおいて、電主運転制御を実行することにより、熱負荷に対して燃料電池１の発生熱が不足する熱不足状態が予測される場合に、燃料電池１の出力を現電力負荷に追従した電主出力よりも大きい強制出力に設定する強制運転を実行可能に構成されている。

ちなみに、熱余り状態とは、例えば、貯湯槽２内に貯湯されている湯水が満杯であり、ラジエター１９を作動させる状態や、熱媒供給運転中に燃料電池１から出力される熱が熱消費端末３で要求されている端末熱負荷よりも大きくて、貯湯槽２内に貯湯されている湯水が満杯であり、ラジエター１９を作動させる状態である。
また、熱不足状態とは、例えば、貯湯槽２内に湯水が貯湯されておらず、補助加熱手段Ｍを作動させる状態や、熱媒供給運転中に燃料電池１から出力される熱だけでは熱消費端末３で要求されている端末熱負荷を賄えない状態である。

次に、熱余り状態及び熱不足状態の予測について説明を加える。
前記運転制御部５は、判定対象期間における予測電力負荷及び予測熱負荷を求め、その予測電力負荷を補うように、連続的に電主運転制御を実行することを想定して、燃料電池１の発生熱が予測熱負荷に対して余る熱余り状態が発生するか否かを判断すると共に、その熱余り状態が発生する時間帯を熱余り時間帯として求め、逆に、燃料電池１の発生熱が予測熱負荷に対して不足する熱不足状態が発生するか否かを判断すると共に、その熱不足状態が発生する時間帯を熱不足時間帯として求める。
尚、熱不足状態や熱余り状態を予測する構成については、例えば、補助加熱手段Ｍを作動した状態での給湯量やラジエター１９における放熱量を積算し、その積算値が設定値以上となることにより、熱不足状態や熱余り状態を予測するなど、適宜変更が可能である。

上記抑制運転について説明を加えると、運転制御部５は、抑制運転を実行する場合において、熱余り状態が予測される熱余り時間帯よりも前の時間帯でその熱余り状態が解消できるように設定された抑制運転時間帯において、燃料電池１の出力を電主出力よりも小さい抑制出力に設定する。

更に、上記抑制出力は、燃料電池１の出力を電主出力に設定したときの発電メリットよりも優れた発電メリットを発揮する出力のうちの上記電主出力以下の範囲内における最大出力に設定することが望ましい。

即ち、運転制御部５は、現電力負荷の全てを商用電源７からの受電電力で補う場合のエネルギ消費量から、現電力負荷の少なくとも一部を燃料電池１の発電電力で補う場合のエネルギ消費量を差し引いた分に相当する上記発電メリットを、燃料電池１の出力を電主出力及びそれ以下に設定した場合について演算し、その発電メリットが、燃料電池１の出力を電主出力に設定した場合よりも優れている出力のうちの最大出力を、上記抑制出力として設定する。
尚、上記発電メリットは、余剰電力の発生によるエネルギロスを差し引いた値とすることが望ましい。

尚、上記抑制出力は、燃料電池１の最小出力や、電主出力から所定の設定量小さい出力としても構わない。

上記強制運転について説明を加えると、運転制御部５は、強制運転を実行する場合において、熱不足状態が予測される熱不足時間帯よりも前の時間帯でその熱不足状態が解消できるように設定された強制運転時間帯において、燃料電池１の出力を電主出力よりも大きい強制出力に設定する。

更に、上記強制出力は、燃料電池１の出力を電主出力に設定したときの発熱メリットよりも優れた発熱メリットを発揮する出力のうちの上記電主出力以上の範囲内における最小出力に設定することが望ましい。

即ち、運転制御部５は、現熱負荷の全てを補助加熱手段Ｍによる発生熱で補う場合のエネルギ消費量から、現熱負荷の少なくとも一部を燃料電池１の発生熱で補う場合のエネルギ消費量を差し引いた分に相当する上記発熱メリットを、燃料電池１の出力を電主出力及びそれ以上に設定した場合について演算し、その発熱メリットが、燃料電池１の出力を電主出力に設定した場合よりも優れている出力のうちの最小出力を、上記強制出力として設定する。
尚、上記発熱メリットは、余剰熱の発生によるエネルギロスを差し引いた値とすることが望ましい。

尚、上記強制出力は、燃料電池１の最大出力や、電主出力から所定の設定量大きい出力としても構わない。

また、上記抑制出力及び上記強制出力は、燃料電池１の出力を電主出力に設定したときの発電メリット及び発熱メリットの和である総合メリットよりも優れた総合発電メリットを発揮する出力として設定しても構わない。

〔断続稼動モード〕
次に、断続稼動モードが選択された場合における運転制御部５による詳細な運転制御方法について、説明を加える。
この断続稼動モードは、判定対象期間において上述した予測エネルギ削減量が最大となるように、燃料電池１の稼動時間帯を設定する稼動モードである。
そして、その断続稼動モードは、下記に示す第１断続稼動モードと第２断続稼動モードが含まれ、運転制御部５は、稼動モード選択処理により断続稼動モードが選択された場合には、例えば予測エネルギ削減量が優れている方の断続稼動モードで、燃料電池１を稼動させる。

（第１断続稼動モード）
第１断続稼動モードは、２４時間等の判定対象期間において燃料電池１の稼動時間帯が異なる複数の仮運転パターンの夫々の予測エネルギ削減量を、判定対象期間における予測電力負荷と判定対象期間における予測熱負荷とに基づいて演算して、その予測エネルギ削減量が最大となるように、判定対象期間において燃料電池１の起動時間と停止時間を設定する断続稼動モードである。

即ち、運転制御部５は、第１断続稼動モードが選択された場合に、上記複数の仮運転パターンとしての、判定対象期間において燃料電池１の起動時間と停止時間との組み合わせが互いに異なる全ての仮運転パターンについて、その起動時間から停止時間までの稼動時間帯において燃料電池１に対して電主運転制御を実行することによる予測エネルギ削減量を、上述した［数１］〜［数３］等を用いて、演算する。

そして、その複数の仮運転パターンのうち、上記のように求めた予測エネルギ削減量が最も優れた即ち最大である仮運転パターンを、その判定対象期間における正式な運転パターンとして決定し、その運転パターンで定義される運転時間帯で燃料電池１を運転するように、判定時間帯における燃料電池１の起動時間と停止時間とを設定する。

（第２断続稼動モード）
第２断続稼動モードは、２４時間等の判定対象期間において燃料電池１の稼動時間帯が異なる複数の仮運転パターンの夫々の予測エネルギ削減量を、判定対象期間における予測電力負荷と、判定対象期間よりも長い４８時間又は７２時間等の熱負荷判定対象期間における予測熱負荷とに基づいて演算して、予測エネルギ削減量が最大となるように、判定対象期間において燃料電池１の起動時間と停止時間を設定する断続稼動モードである。

即ち、運転制御部５は、第２断続稼動モードが選択された場合に、上記複数の仮運転パターンとしての、判定対象期間における燃料電池１の起動時間と停止時間との組み合わせが互いに異なる全ての仮運転パターンについて、その起動時間から停止時間までの稼動時間帯において燃料電池１に対して電主運転制御を実行することによる予測エネルギ削減量を演算する。

尚、この第２断続稼動モードで演算される予測エネルギ削減量は、例えば、図５（ｂ）の判定対象期間以降の熱利用状態に示すように、その判定対象期間以降含む熱負荷判定対象期間において貯湯熱量（ｋ）が継続して予測熱負荷（ｍ）として利用された場合を想定して、上述した［数１］〜［数３］等を用いて演算された判定対象期間の予測電力負荷と予測熱負荷とに基づいて演算した予測エネルギ削減量に対して、その判定対象期間以降における予測利用熱量（ｎ）の合計から貯湯放熱量（ｌ）の合計を差し引いた分の熱量を、補助加熱手段Ｍの発生熱で補う場合のエネルギ消費量を加えた値として、求めることができる。

尚、運転制御部５は、稼動モード選択処理により断続稼動モードが選択された場合に、上記第１断続稼動モードと上記第２断続稼動モードとのうち、予測エネルギ削減量が優れた方の断続稼動モードを選択して、燃料電池１を断続的に稼動させるのであるが、例えば、上記第２断続稼動モードを優先的に選択したい場合に、上記第２断続稼動モードの予測エネルギ削減量が、第１断続稼動モードの予測エネルギ削減量から一定量差し引いた分よりも大きい場合に、第２断続稼動モードを選択するように構成しても構わない。
また、上記第１断続稼動モードの予測エネルギ削減量の方が優れている場合において、その予測エネルギ削減量が負である場合には、燃料電池１を稼動させることによるエネルギの削減効果がないとして、何れの稼動モードも選択せずに、次の判定対象期間において燃料電池１を停止させても構わない。

尚、断続稼動モードとしては、予測エネルギ削減量が最大となるように判定対象期間において燃料電池１の起動時間と停止時間を設定する稼動モードとするのではなく、例えば、燃料電池１の発生熱により熱負荷の全てを賄うように燃料電池１の起動時間と停止時間とを設定する稼動モードや、一定の出力調整周期毎に、予測エネルギ削減量を再計算して、燃料電池１を起動するか停止するかを判定する形態の稼動モード等のように、別の断続稼動モードを採用しても構わない。

また、断続稼動モードにおける上記燃料電池１の稼動時間帯は、判定対象期間において夫々１回のみではなく、複数回設定しても構わない。

上記実施形態では、運転制御部５は、燃料電池１の稼動時に電主運転制御を実行するように構成したが、別に、燃料電池１の稼動時に燃料電池１の出力を一定の定格出力に設定する定格運転制御を実行するように構成しても構わない。

上記実施形態では、出力調整周期を５分、判定対象時間帯を２４時間、熱負荷判定対象時間帯を４８時間又は７２時間とした例を示したが、それらをどのように設定するかについては適宜変更が可能である。

上記実施形態では、貯湯槽２に加えて、熱消費端末３を設けて、熱負荷を給湯熱負荷と端末熱負荷としたコージェネレーションシステムを例示したが、熱消費端末３を設けずに、給湯熱負荷を熱負荷とするコージェネレーションシステムとしてもよい。

上記実施形態では、電気ヒータ１２が燃料電池１の冷却水を加熱するように構成されているが、電気ヒータ１２にて貯湯槽２内の湯水を加熱するように構成して実施することも可能である。

上記実施形態では、熱電併給装置として、燃料電池１を例示したが、熱電併給装置として、例えば、ガスエンジンなどの内燃機関と発電装置とを組み合わせたものや、スターリングエンジンなどの外燃機関と発電装置とを組み合わせたものなどを適応することも可能である。

本発明に係るコージェネレーションシステムは、例えば燃料電池を熱電併給装置として備え、熱電併給装置の稼動形態を適切に選択して、起動や停止に伴うエネルギ損失やセルの劣化と、熱不足状態や熱余り状態による省エネルギ性の悪化との両方を、適切に抑制するためのコージェネレーションシステムに適用可能である。

コージェネレーションシステムの概略構成図 コージェネレーションシステムの制御ブロック図 電主運転制御における説明図 予測電力負荷及び予測熱負荷を示すグラフ 判定対象期間における予測電力負荷及び予測熱負荷に対する燃料電池の運転状態及び熱利用状態等を示す説明図 稼動モード選択処理を示すフローチャート

符号の説明

１：燃料電池（熱電併給装置）
２：貯湯槽
５：運転制御部（運転制御手段）

Claims (9)

1. 熱と電力とを併せて発生する熱電併給装置と、前記熱電併給装置で発生された熱を回収して湯水として貯える貯湯槽と、前記熱電併給装置の運転を制御する運転制御手段とが設けられているコージェネレーションシステムであって、
   前記運転制御手段が、判定時点において稼動モード選択処理を実行して連続稼動モードと断続稼動モードとから選択した一の稼動モードで前記熱電併給装置を稼動させるように構成され、
   前記連続稼動モードが、前記判定時点からの判定対象期間において前記熱電併給装置を連続的に稼動させる稼動モードであり、
   前記断続稼動モードが、前記判定対象期間において前記熱電併給装置を断続的に稼動させる稼動モードであり、
   前記運転制御手段が、前記稼動モード選択処理において、前記連続稼動モードと前記断続稼動モードとの夫々によって前記熱電併給装置を運転すると仮定したときの予測電力負荷及び予測熱負荷についての、前記熱電併給装置を稼動しない場合のエネルギ消費量からのエネルギの削減量である予測エネルギ削減量を演算し、前記連続稼動モードと前記断続稼動モードとのうちの前記予測エネルギ削減量が優れた方の稼動モードを選択するコージェネレーションシステム。
2. 前記断続稼動モードが、前記判定対象期間において前記予測エネルギ削減量が最大となるように、前記熱電併給装置の稼動時間帯を設定する稼動モードである請求項１に記載のコージェネレーションシステム。
3. 前記断続稼動モードが、前記判定対象期間において前記熱電併給装置の稼動時間帯が異なる複数の仮運転パターンの夫々の前記予測エネルギ削減量を、前記判定対象期間における予測電力負荷と前記判定対象期間における予測熱負荷とに基づいて演算して、前記予測エネルギ削減量が最大となるように、前記判定対象期間において前記熱電併給装置の起動時刻と停止時刻を設定する第１断続稼動モードを含む請求項２に記載のコージェネレーションシステム。
4. 前記断続稼動モードが、前記判定対象期間において前記熱電併給装置の稼動時間帯が異なる複数の仮運転パターンの夫々の前記予測エネルギ削減量を、前記判定対象期間における予測電力負荷と前記判定対象期間よりも長い熱負荷判定対象期間における予測熱負荷とに基づいて演算して、前記予測エネルギ削減量が最大となるように、前記判定対象期間において前記熱電併給装置の起動時刻と停止時刻を設定する第２断続稼動モードを含む請求項２又は３に記載のコージェネレーションシステム。
5. 前記運転制御手段が、前記熱電併給装置の稼動時に前記熱電併給装置の出力を現電力負荷に対して追従する電主出力に設定する電主運転制御を実行する請求項１〜４の何れか一項に記載のコージェネレーションシステム。
6. 前記運転制御手段が、前記連続稼動モードにおいて、熱余り状態が予測される場合に前記熱電併給装置の出力を前記電主出力よりも小さい抑制出力に設定する抑制運転を実行可能に構成され、
   前記熱電供給装置の出力と商用電源からの受電電力にて現電力負荷を補うように構成されている請求項５に記載のコージェネレーションシステム。
7. 前記抑制出力が、現電力負荷へ供給する電力の全てを前記商用電源からの受電電力で補うのではなく前記熱電併給装置の発電電力で補うことによるメリットを発電メリットとしたときに、前記熱電併給装置の出力を前記電主出力に設定したときの発電メリットよりも優れた発電メリットを発揮する最大出力に設定されている請求項６に記載のコージェネレーションシステム。
8. 前記運転制御手段が、前記連続稼動モードにおいて、熱不足状態が予測される場合に前記熱電併給装置の出力を前記電主出力よりも大きい強制出力に設定する強制運転を実行可能に構成されている請求項５〜７の何れか一項に記載のコージェネレーションシステム。
9. 前記強制出力が、熱負荷へ供給する熱を補助加熱手段の発生熱で補うのではなく前記熱電併給装置の発生熱で補うことによるメリットを発熱メリットとしたときに、前記熱電併給装置の出力を前記電主出力に設定したときの発熱メリットよりも優れた発熱メリットを発揮する最小出力に設定されている請求項８に記載のコージェネレーションシステム。

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