JP4901373B2 - 熱電併給型自家発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、発電機能および熱供給機能を備えた熱電併給型自家発電装置に関するものである。

近年の電力自由化や環境問題を受け、省コスト、省エネルギーを図ることのできる熱電併給型自家発電装置として、特許文献１に開示されるようなものがある。

かかる熱電併給型自家発電装置は、例えばタービン発電機、燃料電池などの発電装置による発電機能とともに、これら発電装置により発電する際の排熱を利用した給湯や、蒸気を作って暖房などの空調に利用するなどの熱供給機能を備えており、エネルギー効率の高い装置として知られている。

ところで、熱電併給型自家発電装置は、一日のうちで電力負荷と熱負荷の多い時間帯に運転される。この場合、熱電併給型自家発電装置は、電力負荷に比して需要の小さい熱負荷に合わせて装置の容量を決定している。つまり、熱負荷に合せて発電装置の発電能力（発電ｋＷ）を決定している。また、熱電併給型自家発電装置の運転も熱負荷の需要に合わせたものになっている。
特開２００５−１５１７４６号公報

ところが、通常、電力負荷と熱負荷は、需要家によって駆動状況が異なるため、需要側の熱負荷が最大である時間帯と電力負荷が最大である時間帯が一致しないことがある。このため、仮に発電装置を１００％の発電能力で連続して運転すると、電力負荷の需要があるものの熱負荷の需要が小さくなることがあると、この間、発電装置の排熱のほとんどが利用されずにそのまま外気に放出されることになり、装置全体の運転効率が著しく低下してしまうという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、装置全体の運転効率の向上を図ることができる熱電併給型自家発電装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、電力負荷に供給する電力を発電するとともに、該発電の際に排熱を発生する発電手段と、前記発電手段の排熱が導入され該排熱により熱回収された媒体を熱負荷に供給する熱交換手段と、前記発電手段の排熱が導入され該排熱により電力を発電する補助発電手段と、一日のうち前記電力負荷、前記熱負荷の多い所定の時間帯に前記熱負荷の平均値と前記熱負荷の需要とを比較し、前記熱負荷の需要が前記平均値以上のとき前記発電手段の排熱を前記熱交換手段側に、前記熱負荷の需要が該熱負荷の需要減少に伴って前記平均値以下となったとき、前記発電手段の排熱を前記補助発電手段側に導入して電力変換し前記電力負荷に供給するように切替える切替え手段とを具備したことを特徴としている。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記補助発電手段は、熱電変換素子を用いた温度差発電装置からなることを特徴としている。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記切替え手段は、熱負荷側に供給される媒体の状態により熱負荷の需要を検出する熱負荷検出手段を有することを特徴としている。

請求項４記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記切替え手段は、前記発電手段の排熱の前記熱交換手段または前記補助発電手段への導入を切替える切替ダンパーを有することを特徴としている。

本発明によれば、装置全体の運転効率の向上を図ることができる熱電併給型自家発電装置を提供できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。

(第１の実施の形態)
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る熱電併給型自家発電装置の概略構成を示している。図１において、１は発電手段としての発電装置で、この発電装置１は、燃焼器２、圧縮機３、タービン４および発電機５から構成されている。この発電装置１は、タービン４の軸に圧縮機３と発電機５が直結されており、圧縮機３により吸気された空気を圧縮し、この圧縮空気を燃焼器２に供給し、圧縮空気内に燃料を注入して燃焼させ、それを噴出させてタービン４を回転させ発電機５により発電を行う。この発電機５により発電された電力は、電力負荷に供給される。

タービン４の排気口には、切替ダンパー６が接続されている。この切替ダンパー６は、タービン４で発生する排ガス（排熱）が導入されるガス導入口６ａに対して２つのガス排出口６ｂ、６ｃと切替え弁(不図示)を有し、この切替え弁によりガス導入口６ａから導入された排ガスをガス排出口６ｂ、６ｃ側のいずれかに切替える。切替え弁には、切替え制御回路７が接続されている。この切替え制御回路７は、切替え弁の切替えを制御する。

切替ダンパー６の一方のガス排出口６ｂには、管路８を介して排気回収熱交換器９が接続されている。この排気回収熱交換器９は、タービン４より切替ダンパー６を介して導かれた高温の排ガスにより伝熱管１０内を流れる温水(媒体)を加熱することで熱回収を行い、この高温水を温水供給路１１を通して熱負荷側（給湯、空調など）に供給する。

切替ダンパー６の一方のガス排出口６ｃには、管路１２を介して補助発電手段として温度差発電装置１３が接続されている。この温度差発電装置１３は、熱を電力に変換する熱電変換素子が用いられている。この熱電変換素子は、２種類の異なる金属又は半導体を接合し、一方を加熱し、他方を冷却して、これら接合面に温度差を発生させることにより起電力を生じさせるゼーベック効果を利用したものである。この温度差発電装置１３で発電された電力は、電力負荷に供給される。

温水供給路１１には、熱負荷の需要の状態を検出する熱負荷検出器１４が設けられている。この熱負荷検出器１４は、排気回収熱交換器９より熱負荷に供給される温水の流量や温度などにより熱負荷の需要状態を検出する。この熱負荷検出器１４の検出出力は、切替え制御回路７に送られる。この場合、熱負荷検出器１４により検出される熱負荷の需要が、熱負荷の平均値１５（詳細は後述する。）を超えると、切替え制御回路７は、切替ダンパー６の不図示の切替え弁をガス排出口６ｃ側に切替えてタービン４からの排ガスを排気回収熱交換器９に供給し、また、熱負荷検出器１４により検出される熱負荷の需要が、熱負荷の平均値１５以下になったとき、切替え制御回路７は、切替ダンパー６の不図示の切替え弁をガス排出口６ｂ側に切替えてタービン４からの排ガスを温度差発電装置１３に供給する。

次に、このように構成した熱電併給型自家発電装置の作用を説明する。

この場合、図２は、需要家の電力負荷曲線を示し、図３に同じく需要家の熱負荷曲線を示している。熱電併給型自家発電装置は、図２に示す電力負荷曲線および図３に示す熱負荷曲線から一日のうち電力負荷および熱負荷の需要の多い時間帯（図示例では９：００〜１９：００）に運転される。また、発電装置１の発電能力（発電ｋＷ）は、熱負荷の需要に合わせて熱負荷の需要に有効に活用できるものとする。具体的には、発電装置１は、図３に示す９：００〜１９：００までの時間帯の熱負荷の平均値１５に相当する熱供給を可能にした発電能力（発電ｋＷ）に設定される。

なお、図３において、１６は、１００％熱負荷に必要な熱発生平均値を示している。また、図２において、１７は、上述した熱負荷の平均値に対応する発電量平均値、１８は、前記１００％熱負荷に対応する発電量平均値を示している。

熱電併給型自家発電装置は、一日のうちで電力負荷、熱負荷の多い時間帯の９：００〜１９：００の間に運転される。

この状態で、熱負荷検出器１４は、熱負荷の需要状態を検出する。熱負荷検出器１４は、排気回収熱交換器９より熱負荷側に温水供給路１１を通して供給される温水の流量や温度などにより熱負荷の需要状態の検出する。この熱負荷検出器１４の検出出力は、切替え制御回路７に送られる。

切替え制御回路７は、熱負荷検出器１４の検出出力と熱負荷の平均値１５とを比較する。ここで、熱負荷検出器１４の検出出力、つまり熱負荷の需要が熱負荷の平均値１５を超えていれば、切替え制御回路７は、切替ダンパー６の不図示の切替え弁をガス排出口６ｃ側に切替える。これにより、タービン４からの排ガスは、全て排気回収熱交換器９に供給される。排気回収熱交換器９は、切替ダンパー６を介して導かれた高温の排ガスにより伝熱管１０内を流れる温水を加熱して熱回収を行い、この高温水を温水供給路１１を通して熱負荷側（給湯、空調など）に供給する。

この状態から、熱負荷の需要が減少したような場合、熱負荷検出器１４の検出出力も変化する。この場合、例えば、図３に示す時間帯のように熱負荷の需要が熱負荷の平均値１５以下までなった状態で、発電装置１の発電能力１００％で運転し続けると、このとき発生する排熱のほとんどが利用されずにそのまま外気に放出されてしまい、装置の運転効率が著しく低下する。

この場合、切替え制御回路７は、切替ダンパー６の不図示の切替え弁をガス排出口６ｂ側に切替える。これにより、タービン４からの排ガスは、全て温度差発電装置１３に供給される。温度差発電装置１３には、熱を電力に変換する熱電変換素子が用いられ、タービン４からの高温の排ガスにより温度差を発生させることにより起電力を発生し、この発電された電力は、電力負荷に供給される。

したがって、このようにすれば、常時、熱負荷の需要状態を熱負荷検出器１４により検出し、この検出出力を図３に示す熱負荷曲線により与えられる熱負荷の平均値１５と比較し、熱負荷検出器１４の検出出力、つまり熱負荷の需要が前記熱負荷の平均値１５以上である場合は、切替え制御回路７により切替ダンパー６をガス排出口６ｃ側に切替えてタービン４からの排ガスを排気回収熱交換器９に供給し、伝熱管１０内を流れる温水を加熱して熱回収を行い、高温水を温水供給路１１を通して熱負荷側に供給し、また、熱負荷検出器１４の検出出力、つまり熱負荷の需要が前記熱負荷の平均値１５以下に落ち込んだ場合、切替え制御回路７により切替ダンパー６をガス排出口６ｂ側に切替えてタービン４からの排ガスを温度差発電装置１３に供給し、熱電変換素子に対しタービン４からの高温の排ガスにより温度差を発生させることにより起電力を発生させ、この発電された電力を電力負荷に供給するようにした。これにより、熱負荷の需要が十分にあり１００％の発電能力で発電機５が運転されている状態で、熱負荷の需要が一時的に低下したような場合も、発電装置１の発電能力を低下させることなく、しかも、発電装置１による発電で発生する排ガスを１００％活用することができるので、装置全体の運転効率の著しい向上を図ることができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、実施段階では、その要旨を変更しない範囲で種々変形することが可能である。例えば、上述した実施の形態では、熱負荷検出器１４で検出される熱負荷の需要状態に応じて切替ダンパー６を切替えタービン４からの排ガスを排気回収熱交換器９又は温度差発電装置１３のいずれかに供給するようにしたが、熱負荷の需要状態に応じて排気回収熱交換器９および温度差発電装置１３に対し所定の割合で排ガスを供給するようにもできる。また、上述した実施の形態では、熱負荷検出器１４の検出出力(熱負荷需要)を図３に示す熱負荷曲線の９：００〜１９：００の時間帯より与えられる熱負荷の平均値１５と比較するようにしたが、熱負荷の最小値を用いることもできる。このようにすると、発電装置１を熱負荷の需要に合わせて部分負荷運転した場合も、最適な運転効率を維持できる。また、９：００〜１９：００の時間帯は一例であって、これ以外の任意の時間帯を選択することも可能である。

さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出できる。例えば、実施の形態に示されている全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題を解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出できる。

本発明の第１の実施の形態の概略構成を示す図。 第１の実施の形態の説明に用いる電力負荷曲線を示す図。 第１の実施の形態の説明に用いる熱負荷曲線を示す図。

符号の説明

１…発電装置、２…燃焼器
３…圧縮機、４…タービン
５…発電機、６…切替ダンパー
６ａ…ガス導入口、６ｂ．６ｃ…ガス排出口
７…切替え制御回路、８…管路
９…排気回収熱交換器
１０…伝熱管、１１…温水供給路
１２…管路、１３…温度差発電装置
１４…熱負荷検出器、１５…熱負荷平均値
１６…熱発生平均値、１７、１８…発電量平均値
１９…時間帯

Claims (4)

1. 電力負荷に供給する電力を発電するとともに、該発電の際に排熱を発生する発電手段と、
   前記発電手段の排熱が導入され該排熱により熱回収された媒体を熱負荷に供給する熱交換手段と、
   前記発電手段の排熱が導入され該排熱により電力を発電する補助発電手段と、
   一日のうち前記電力負荷、前記熱負荷の多い所定の時間帯に前記熱負荷の平均値と前記熱負荷の需要とを比較し、前記熱負荷の需要が前記平均値以上のとき前記発電手段の排熱を前記熱交換手段側に、前記熱負荷の需要が該熱負荷の需要減少に伴って前記平均値以下となったとき、前記発電手段の排熱を前記補助発電手段側に導入して電力変換し前記電力負荷に供給するように切替える切替え手段と
   を具備したことを特徴とする熱電併給型自家発電装置。
2. 前記補助発電手段は、熱電変換素子を用いた温度差発電装置からなることを特徴とする請求項１記載の熱電併給型自家発電装置。
3. 前記切替え手段は、熱負荷側に供給される媒体の状態により熱負荷の需要を検出する熱負荷検出手段を有することを特徴とする請求項１記載の熱電併給型自家発電装置。
4. 前記切替え手段は、前記発電手段の排熱の前記熱交換手段または前記補助発電手段への導入を切替える切替ダンパーを有することを特徴とする請求項１記載の熱電併給型自家発電装置。

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