JP4931889B2 - 熱電供給システム - Google Patents

Description

本発明は、熱電供給システムに関する。

エネルギーを有効に活用するための技術として、コージェネレーション発電システム（例えば、以下に示す特許文献１を参照）と、バイオマス発電システム（例えば、以下に示す特許文献２を参照）と、が知られている。コージェネレーション発電システムとは、原動機により発電機を駆動して発電された電力を需要家の電力需要（照明機器、動力源等）に向けて供給するのと併行して、原動機からの発電に伴う排熱を需要家の熱需要（冷暖房機器、給湯機器、蒸気機器等）に供給する熱電併給システムのことである。バイオマス発電システムとは、有機物を含む汚泥を密閉した消化槽に入れて、空気の嫌いな微生物の作用で汚泥中の有機物の多くを液化又はガス化し、又は、木屑やごみを高温でガス化し、この結果により発生したガスを燃料として、原動機を動かして発電する装置のことである。尚、バイオマスとは、有機物に由来するエネルギー源の総称のことである。
特開２００７−１８７０２７号公報 特開２００５−２４５１０５号公報

本出願の時点では、コージェネレーション発電システムとバイオマス発電システムとが共存する電力系統であって、コージェネレーション発電システムとバイオマス発電システムとが相互に協調して電力や熱の需要バランス調整を行う熱電供給システムが存在していない。

本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、コージェネレーション発電システムとバイオマス発電システムとが相互に協調して電力や熱の需給バランス調整を行う熱電供給システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、電力と熱とを供給する熱電供給システムであって、電力系統と、前記電力系統に接続されるコージェネレーション発電システムとバイオマス発電システムとを含む複数の分散型電源と、常温熱Ｑｈを蓄熱する常温槽と、前記コージェネレーション発電システムにおいて発電される電力Ｐｄｇに応じて排出される排出熱Ｑｄｇと、前記常温槽に蓄熱された常温熱Ｑｈと、を蓄熱する温熱槽と、運転時に前記常温槽に蓄熱された常温熱Ｑｈを前記温熱槽に移動させるヒートポンプと、前記温熱槽に蓄熱された温熱が前記バイオマス発電システムにおいて電力Ｐｂを発電させるためのバイオマス熱Ｑｂを含んだ前記需要家の温熱需要Ｑｗを賄えるように、前記コージェネレーション発電システムにおいて発電される電力Ｐｄｇ、前記バイオマス発電システムにおいて発電される電力Ｐｂ及び前記ヒートポンプの運転又は停止を制御する制御装置と、を有することを特徴とする。

また、上記の熱電供給システムであって、前記需要家の温熱需要Ｑｗのうち前記バイオマス熱Ｑｂとそれ以外の温熱需要Ｑｗ’、前記常温槽に蓄熱された常温熱Ｑｈ、前記コージェネレーション発電システムの排出熱Ｑｄｇを用いた、Ｑｗ’＋Ｑｂ＝Ｑｈ＋Ｑｄｇとして定義される熱需給式が成立するように、前記コージェネレーション発電システムにおいて発電される電力Ｐｄｇ、前記バイオマス発電システムにおいて発電される電力Ｐｂ及び前記ヒートポンプの運転又は停止を制御する、こととしてもよい。

また、上記の熱電供給システムであって、前記制御装置は、前記熱需給式においてＱｗ’＋Ｑｂ＜Ｑｈ＋Ｑｄｇの場合、前記バイオマス発電システムにおいて発電される電力Ｐｂを増加させるとともに、前記コージェネレーション発電システムにおいて発電される電力Ｐｄｇを減少させ、前記熱需給式においてＱｗ’＋Ｑｂ＞Ｑｈ＋Ｑｄｇの場合、前記バイオマス発電システムにおいて発電される電力Ｐｂを減少させるとともに、前記コージェネレーション発電システムにおいて発電される電力Ｐｄｇを増加させる、こととしてもよい。

また、上記の熱電供給システムであって、前記制御装置は、前記熱需給式においてＱｗ’＋Ｑｂ＜Ｑｈ＋Ｑｄｇの場合、前記ヒートポンプを停止させ、前記熱需給式においてＱｗ’＋Ｑｂ＞Ｑｈ＋Ｑｄｇの場合、前記ヒートポンプの運転させる、こととしてもよい。

また、上記の熱電供給システムであって、前記制御装置は、前記コージェネレーション発電システムにおいて発電される電力Ｐｄｇ及び前記バイオマス発電システムにおいて発電される電力Ｐｂを含んだ前記電力系統から供給される電力Ｐｇが前記需要家の電力需要Ｐｄを賄えるように、前記コージェネレーション発電システムにおいて発電される電力Ｐｄｇ及び前記バイオマス発電システムにおいて発電される電力Ｐｂを制御する、こととしてもよい。

その他、本願が開示する課題及びその解決方法は、発明を実施するための最良の形態の欄、及び図面により明らかにされる。

本発明によれば、電力系統に接続されたコージェネレーション発電システムとバイオマス発電システムとが相互に協調して、需要家との間における電力の需給バランス調整と熱の需給バランス調整を行う熱電供給システムを提供することができる。

以下では、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

＜＜＜熱電供給システムの全体構成＞＞＞
図１は、本発明の一実施形態に係る熱電供給システムの全体構成を示した図である。
同図に示す熱電供給システムは、主に、マイログリッド電力系統１００、マイクログリッド熱系統２００、需要家３００、マイクログリッド制御装置４００により構成される。

＝＝＝マイクログリッド電力系統＝＝＝
マイクログリッド電力系統１００は、既存の電力系統（不図示）と一点で連系、又は既存電力系統から独立した小規模電力系統である。マイクログリッド電力系統１００は、自然エネルギー等の電力制御が困難な分散型電源と、電力制御が可能な分散型電源と、を組み合わせた構成とすることで、環境に配慮しつつ既存の電力系統に影響を与えないシステム構成を可能としている。

マイクログリッド電力系統１００は、自然エネルギー等の電力制御が困難な分散型電源として、太陽光発電システム１０１、風力発電システム１０２が接続され、電力制御が可能な分散型電源として、コージェネレーション発電システム１０３、バイオマス発電システム１０４が接続される。また、マイクログリッド電力系統１００は、需要家３００の電力需要が接続される。さらに、マイクログリッド電力系統１００は、系統安定化のために超電導電力貯蔵システム１０５が接続される。

太陽光発電システム１０１は、シリコン半導体の光電効果を利用して太陽の光エネルギーを電気エネルギーに変換する発電システムのことであり、複数の太陽電池を配置した太陽電池パネルと、太陽電池で発電した電気を交流に変えるインバータ等により構成される。尚、以下では、太陽光発電システム１０１により発電される電力をＰｐｖと表す。

風力発電システム１０２は、風車の風力エネルギーを機械的動力に変換し、この動力を発電機に伝達して電気エネルギーに変換する発電システムのことであり、ブレード及びロータ軸等のロータ系、ロータ系の回転エネルギーを発電機に伝達する伝達系、伝達された回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機等により構成される。尚、以下では、風力発電システム１０２により発電される電力をＰｗと表す。

コージェネレーション発電システム１０３は、原動機（ガスエンジン、ガスタービンエンジン、ディーゼルエンジン）により発電機を駆動して発電された電力を需要家３００の電力需要（照明、動力等）に向けて供給するのと併行して、発電に伴う原動機からの排熱を需要家の熱需要（冷暖房、給湯、蒸気等）に供給する熱電併給システムである。コージェネレーション発電システム１０３は、上記の原動機を用いたシステムの他に、水素と酸素を科学的に反応させて電気を発電されるとともにその発電に伴う排熱を利用する燃料電池を用いたシステムであってもよい。尚、コージェネレーション発電システム１０３により発電される電力をＰｄｇと表し、コージェネレーション発電システム１０３より発電される電力Ｐｄｇに応じて排出される排出熱のうち、後述の温熱槽２０５に蓄熱させる熱をＱｄｇと表し、後述の常温槽２０３に蓄熱させる残熱をＱｄｇ’と表す。

バイオマス発電システム１０４は、有機物を含む汚泥を密閉した消化槽に入れて、空気の嫌いな微生物の作用で汚泥中の有機物の多くを液化又はガス化し、又は、木屑やごみを高温でガス化し、この結果により発生したガスを燃料（バイオマス燃料）として用いて、原動機を動かして発電するシステムである。尚、バイオマス発電システム１０４により発電される電力をＰｂと表し、また、バイオマス発電システム１０４が電力Ｐｂを発電するために必要なバイオマス燃料を生成するために要する熱をＱｂ（＝βＰｂ）と表す。

超電導電力貯蔵システム１０５は、一般にＳＭＥＳ（Superconducting Magnetic Energy Storage）と呼ばれており、極低温状態になると電気抵抗ゼロになる特性を有した超電導コイル内で電流を循環させて電気エネルギーを貯蔵するシステムである。超電導電力貯蔵システム１０５は、超電導コイルとこれを冷却するための冷媒（液体ヘリウム、液体窒素等）とを収容する極低温容器と、極低温容器を収納する真空容器と、超電導コイルに電力を貯蔵するか若しくは貯蔵された電力を取り出すためのスイッチと、超電導コイルから取り出した電力を交流に変換するインバータ等により構成される。尚、極低温容器内の冷媒は超電導電力貯蔵システム１０５と接続された冷凍機１０６により冷却される。尚、超電導電力貯蔵システム１０５が蓄電する蓄電量をＰｓｍと表す。

需要家３００の電力需要は、後述の冷熱需要を構成する冷房、冷蔵、冷凍、後述の常温熱源としての残り湯を生成する給湯、後述の温熱需要を構成する給湯、暖房、乾燥である。尚、需要家３００の全電力需要をＰｄと表す。

＝＝＝マイクログリッド熱系統＝＝＝
マイクログリッド熱系統２００は、需要家３００の冷熱需要や温熱需要に熱を供給するシステムである。マイクログリッド熱系統２００は、冷熱槽２０１、冷熱供給用ヒートポンプ２０２、常温槽２０３、温熱供給用ヒートポンプ２０４、温熱槽２０５により構成される。

冷熱槽２０１は、冷却ガス（１０℃未満の窒素等）を熱媒体としており、需要家３００の冷熱需要に供給する冷熱ガスの熱Ｑｃと、冷凍機１０６に供給する冷熱ガスの熱Ｑｓｍと、を蓄熱する。尚、冷熱需要は、需要家３００として家庭、スーパー、食品工場に設置される冷蔵、冷房、冷凍や、データセンタや工場等に設置される機器の冷却である。冷熱槽２０１に蓄熱される冷熱Ｑｌは、冷熱供給用ヒートポンプ２０２によって常温槽２０３に移動される。

冷熱供給用ヒートポンプ２０２は、運転時に冷熱槽２０１に蓄熱される冷熱Ｑｌを高効率に常温槽２０３に移動させる装置である。冷熱供給用ヒートポンプ２０２は、冷熱槽２０１から供給される冷熱Ｑｌより低温液体を蒸発させたガスを生成する蒸発部２０２１と、蒸発部２０２１によって生成したガスを圧縮させて高温ガスを生成する圧縮部２０２２と、圧縮部２０２２によって生成した高温ガスを凝縮することで元の冷熱Ｑｌの高圧液体を発生する凝縮部２０２３と、凝縮部２０２３により発生した高圧液体を膨張して蒸発部２０２１に供給する低温液体を生成する膨張部２０２４と、を有する。

常温槽２０３は、常温（１０℃〜４０℃）の空気を熱媒体としており、冷熱供給用ヒートポンプ２０２により冷熱槽２０１から移動される冷熱Ｑｌと、需要家３００の給湯設備の貯湯槽に蓄えられた残り湯の熱や大気熱から成る常温熱Ｑｍと、コージェネレーション発電システム１０３より排出される排出熱のうち温熱槽２０５に蓄熱されずにいた残熱Ｑｄｇ’と、を蓄熱する。尚、常温槽２０３より発する常温熱Ｑｈは、温熱供給用ヒートポンプ２０４に吸収される。

温熱供給用ヒートポンプ２０４は、常温槽２０３より発する常温熱Ｑｈを高効率に温熱槽２０５に移動させる装置である。温熱供給用ヒートポンプ２０４は、常温槽２０３から供給される常温熱Ｑｈより低温液体を蒸発させたガスを生成する蒸発部２０４１と、蒸発部２０４１によって生成したガスを圧縮させて高温ガスを生成する圧縮部２０４２と、圧縮部２０４２によって生成した高温ガスを凝縮することで元の常温熱Ｑｈの高圧液体を発生する凝縮部２０４３と、凝縮部２０４３により発生した高圧液体を膨張して蒸発部２０４１に供給する低温液体を生成する膨張部２０４４と、を有する。

温熱槽２０５は、温水（４０℃〜１００℃）を熱媒体としており、温熱供給用ヒートポンプ２０４より常温槽２０３から移動される常温熱Ｑｈと、コージェネレーション発電システム１０３より排出される排出熱Ｑｄｇと、を蓄熱する。尚、温熱槽２０５に蓄熱されるトータルの温熱は、需要家３００の温熱需要Ｑｗに供給される。温熱需要Ｑｗは、家庭、ホテル、病院、介護施設に設けられる給湯、暖房や、理美容院、クリーニング店に設けられる給湯、乾燥、農業温室に設けられる暖房、さらに、バイオマス燃料生成設備（乾燥、発酵機器）３１０である。温熱需要Ｑｗは、バイオマス燃料生成設備３１０によって需要される温熱需要Ｑｂと、バイオマス燃料生成以外の温熱需要によって需要される温熱需要Ｑｗ’と、に区分される。

＝＝＝マイクログリッド制御装置＝＝＝
図２は、マイクログリッド制御装置４００の構成並びにその周辺の接続を示した図である。

マイクログリッド制御装置４００は、総合的なエネルギー効率を向上させるべく、マイクログリッド電力系統１００とマイクログリッド熱系統２００とが相互に協調して電力や熱の需給バランスを実現するための熱電制御を行う。マイクログリッド制御装置４００は、ＣＰＵ４０１、メモリ４０２、ハードディスク等の記憶装置４０３、通信装置４０４、キーボード等の入力装置４０５、液晶ディスプレイ等の表示装置４０６を有する。

尚、通信装置４０４は、冷熱槽２０１に設置された熱量計Ｃ１により計測される冷熱槽２０１に蓄熱された熱Ｑｌ−ｓｔ、冷熱供給用ヒートポンプ２０２と常温槽２０３との間に設けられた熱量計Ｃ２により計測される冷熱Ｑｌ、常温槽２０３に設置された熱量計Ｃ３により計測される常温槽２０３に蓄熱される熱Ｑｍ−ｓｔ、温熱供給用ヒートポンプ２０４と温熱槽２０５との間に設けられた熱量計Ｃ４により計測される熱Ｑｈ−ｓｔ、冷凍機１０５の出力側に設置された熱量計Ｃ６により計測される冷熱Ｑｓｍを通信線４１０を介して受信する。

また、通信装置４０４は、太陽光発電システム１０１とマイクログリッド電力系統１００との間に設けられた電力計Ｗ１により計測される電力Ｐｐｖ、風力発電システム１０２とマイクログリッド電力系統１００との間に設けられた電力計Ｗ２により計測される電力Ｐｗ、コージェネレーション発電システム１０３とマイクログリッド電力系統１００との間に設けられた電力計Ｗ３により計測される電力Ｐｄｇ、バイオマス発電システム１０４とマイクログリッド電力系統１００との間に設けられた電力計Ｗ４により計測される電力Ｐｂ、超電導電力貯蔵システム１０５とマイクログリッド電力系統１００との間に設けられた電力計Ｗ５により計測される電力Ｐｓｍを通信線４２０を介して受信する。

＜＜＜マイクログリッド制御装置の熱電制御＞＞＞
＝＝＝熱電制御の概要＝＝＝
マイクログリッド制御装置４００は、温熱槽２０５に蓄熱される熱（＝常温熱Ｑｈ＋コージェネーション発電システム１０３より排出される排出熱Ｑｄｇ＋温熱槽２０５内の湯の蓄熱Ｑｈ−ｓｔ）が需要家３００の温熱需要Ｑｗを賄えるように、コージェネレーション発電システム１０３において発電される電力Ｐｄｇ及びバイオマス発電システム１０４において発電される電力Ｐｂを制御する。さらに、マイクログリッド制御装置４００は、マイクログリッド電力系統１００から供給される電力（＝全発電量Ｐｇ＋蓄電量Ｐｓｍ）が需要家３００の電力需要Ｐｄを賄えるように、コージェネレーション発電システム１０３において発電される電力Ｐｄｇ及びバイオマス発電システム１０４において発電される電力Ｐｂを制御する。

このように、需要家３００の電力需要Ｐｄとマイクログリッド電力系統１００から供給される電力（＝全発電量Ｐｇ＋蓄電量Ｐｓｍ）との間の需給バランス調整と、需要家３００の温熱需要Ｑｗと温熱槽２０５に蓄熱される熱（＝常温熱Ｑｈ＋コージェネーション発電システム１０３より排出される排出熱Ｑｄｇ＋温熱槽２０５内の湯の蓄熱Ｑｈ−ｓｔ）との間の需給バランス調整と、を同時に実現することが可能となる。

また、コージェネレーション発電システム１０３と比べて、マイクログリッド電力系統１００と接続した電力制御が可能なコージェネレーション発電システム１０３から排出される熱がマイクログリッド熱系統２００に流入される構成とした。このため、マイクログリッド電力系統１００とマイクログリッド熱系統２００との間で協調した電力や熱の需給バランス調整が行われ、総合的なエネルギー効率を向上させることが可能となる。

さらに、マイクログリッド制御装置４００は、需要家３００の温熱需要Ｑｗと温熱槽２０５に蓄熱される熱（＝常温熱Ｑｈ＋コージェネーション発電システム１０３より排出される排出熱Ｑｄｇ＋温熱槽２０５内の湯の蓄熱Ｑｈ−ｓｔ）とを一致させるように、且つ常温槽２０３に蓄熱される熱（＝冷熱Ｑｌ＋常温熱源の熱Ｑｍ＋コージェネレーション発電システム１０３の残熱Ｑｄｇ’＋常温槽２０３内の空気の蓄熱Ｑｍ−ｓｔ）と温熱供給用ヒートポンプ２０４に吸収される常温熱Ｑｈとを一致させるように、且つ冷熱槽２０１に蓄熱される熱（＝冷凍機１０５に供給する熱Ｑｓｍ＋冷熱需要Ｑｃ＋冷熱槽２０１に蓄熱された熱Ｑｌ−ｓｔ）と冷熱供給用ヒートポンプ２０２に吸収される冷熱Ｑｌとを一致させるように、コージェネレーション発電システム１０３において発電される電力Ｐｄｇ、バイオマス発電システム１０４において発電される電力Ｐｂ、データセンタや工場等に設けられる機器に供給される電力Ｐｄｃに基づいて制御する。このように、温熱槽２０５、常温槽２０３に加えて冷熱槽２０１を設け、さらに、冷熱供給用ヒートポンプ２０２を設けたことにより、熱の需給バランス調整を行うための自由度がより高くなる。

以下では、数式を用いたマイクログリッド制御装置４００の熱電制御の内容を説明する。
まず、マイクログリッド電力系統１００内の電力需給バランスとして、次のような電力需給式が成立することになる。
Ｐｄ ＝ Ｐｇ＋Ｐｓｍ ・・・式（１）
Ｐｇ ＝ Ｐｄｇ＋Ｐｐｖ＋Ｐｗ＋Ｐｂ ・・・式（２）
尚、式（１）において、需要家３００の全電力需要Ｐｄが、マイクログリッド電力系統１００内の全発電量Ｐｇと、超電導電力貯蔵システム１０５に蓄電される蓄電量Ｐｓｍと、の合計と一致すべきことを表している。

また、式（２）において、マイクログリッド電力系統１００内の全発電量Ｐｇは、コージェネレーション発電システム１０３より発電される電力Ｐｄｇと、太陽光発電システム１０１より発電される電力Ｐｐｖと、風力発電システム１０２より発電される電力Ｐｗと、バイオマス発電システム１０４より発電される電力Ｐｂと、の合計と一致すべきことを表している。

つまり、マイクログリッド制御装置４００は、式（１）、式（２）が成立するように、制御可能なコージェネレーション発電システム１０３より発電される電力Ｐｄｇ並びにバイオマス発電システム１０４より発電される電力Ｐｂを制御することになる。

つぎに、マイクログリッド熱系統２００における熱の需給バランスとして、次の熱需給式が成立することになる。
Ｑｌ ＝ Ｑｃ＋Ｑｓｍ＋Ｑｌ−ｓｔ ・・・式（３）
Ｑｈ ＝ Ｑｌ＋Ｑｍ＋Ｑｄｇ’＋Ｑｍ−ｓｔ ・・・式（４）
Ｑｗ ＝ Ｑｈ＋Ｑｄｇ＋Ｑｈ−ｓｔ ・・・式（５）

式（３）は、冷熱槽２０１の熱収支を表しており、冷熱槽２０１に蓄熱されるトータルの冷熱Ｑｌは、冷熱需要Ｑｃ、冷凍機１０５に供給する熱Ｑｓｍ、冷熱槽２０１に蓄熱された熱Ｑｌ−ｓｔの合計であることを表している。

また、式（４）は、常温槽２０３の熱収支を表しており、常温槽２０３から温熱供給用ヒートポンプ２０４により移動される常温槽２０３に蓄熱されたトータルの常温熱Ｑｈは、コージェネレーション発電システム１０３から排出される残熱Ｑｄｇ’、冷熱供給用ヒートポンプ２０２から移動される冷熱槽２０１に蓄熱されたトータルの冷熱Ｑｌ、常温熱源の熱Ｑｍ、常温槽２０３内の空気の蓄熱Ｑｍ−ｓｔの合計であることを表している。

また、式（５）は、温熱槽２０５の熱収支を表しており、温熱槽２０５から需要家３００の温熱需要に向けて供給される温熱需要Ｑｗは、温熱供給用ヒートポンプ２０４から移動される常温熱Ｑｈ、コージェネレーション発電システム１０３から排出される排出熱Ｑｄｇ、温熱槽２０５内の湯の蓄熱Ｑｌ−ｓｔの合計であることを表している。

ところで、コージェネレーション発電システム１０３から排出される排出熱Ｑｄｇ、残熱Ｑｄｇ’は、それぞれ次式のとおり、コージェネレーション発電システム１０３より発電される電力Ｐｄｇに応じて定まる。
Ｑｄｇ ＝ αＰｄｇ（αは係数） ・・・式（６）
Ｑｄｇ’＝ α’Ｐｄｇ（α’は係数） ・・・式（７）
また、バイオマス資源の乾燥、発酵など、バイオマス燃料の生成に要する熱Ｑｂは、次式のとおり、バイオマス発電システム１０４によって発電させる電力Ｐｂに応じて定まる。
Ｑｂ ＝ βＰｂ（βは係数） ・・・式（８）
従って、温熱槽２０５から温熱需要Ｑｗは、次式で表される。
Ｑｗ ＝ Ｑｗ’＋Ｑｂ ＝ Ｑｗ’＋βＰｂ ・・・式（９）
また、冷熱需要の中でデータセンタや工場に設置される機器を冷却するための熱Ｑｄｃは、次式のとおり、これらの機器の電力需要Ｐｄｃで定まる。
Ｑｄｃ ＝ γＰｄｃ（γは係数） ・・・式（１０）
従って、冷熱槽２０１から冷熱需要Ｑｃは、次式で表される。
Ｑｃ ＝ Ｑｃ’＋Ｑｄｃ ＝ Ｑｃ’＋γＰｄｃ ・・・式（１１）

式（３）、式（４）、式（５）において、式（６）、式（７）、式（１１）を代入すると、次式が成立する。
Ｑｌ ＝ Ｑｃ’＋γＰｄｃ＋Ｑｓｍ＋Ｑｌ−ｓｔ ・・・式（１２）
Ｑｈ ＝ Ｑｌ＋Ｑｍ＋α’Ｐｄｇ＋Ｑｍ−ｓｔ ・・・式（１３）
Ｑｗ’＋βＰｂ ＝ Ｑｈ＋αＰｄｇ＋Ｑｈ−ｓｔ ・・・式（１４）

つまり、マイクログリッド制御装置４００は、式（１２）、式（１３）、式（１４）が成立するように、コージェネレーション発電システム１０３より発電される電力Ｐｄｇ、バイオマス発電システム１０４より発電される電力Ｐｂ、冷熱槽２０１から常温槽２０３に移動させるべき熱Ｑｌ、常温槽２０３から温熱槽２０５に移動させるべき熱Ｑｈを制御する。

＝＝＝電力の需給バランス変動時の熱電制御＝＝＝
図３に示すフローチャートを用いた、式（１）が成立しなくなった場合、つまり、需要家３００の全電力需要Ｐｄが、マイクログリッド電力系統１００内の全発電量Ｐｇと、超電導電力貯蔵システム１０５に蓄電される蓄電量Ｐｓｍと、の合計と一致しなくなった場合における熱電制御について説明する。

まず、式（１）が成立しなくなった場合（Ｓ３００：ＹＥＳ）、マイクログリッド制御装置４００は、式（１）、式（２）、式（１２）、式（１３）、式（１４）が成立するように、且つ、冷熱Ｑｌ及び常温熱Ｑｈを最小化するように、コージェネレーション発電システム１０３より発電される電力Ｐｄｇ及びバイオマス発電システム１０４より発電される電力Ｐｂの制御量を夫々算定し（Ｓ３０１）、この算定した電力Ｐｄｇ、Ｐｂをコージェネレーション発電システム１０３及びバイオマス発電システム１０４に指定する（Ｓ３０２）。尚、最小化の際には、局所探索手法や焼きなまし手法等の最適化手法を用いる。

また、この場合に調整されるパラメータは、冷熱Ｑｌ、常温熱Ｑｈ、熱Ｑｌ−ｓｔ、Ｑｍ−ｓｔ、熱Ｑｈ−ｓｔ、蓄電量Ｐｓｍである（Ｓ３０３）。但し、熱Ｑｌ−ｓｔ、Ｑｍ−ｓｔ、Ｑｈ−ｓｔ、蓄電量Ｐｓｍに対して夫々上下限レベルを設定することで、熱Ｑｌ−ｓｔ、Ｑｍ−ｓｔ、Ｑｈ−ｓｔ、蓄電量Ｐｓｍを所定範囲内に確保するようにする。Ｓ３００からＳ３０３の制御ループは、熱電制御の終了まで繰り返される。

＝＝＝温熱の需給バランス変動時の熱電制御＝＝＝
図４に示すフローチャートを用いた、式（１０）が成立しなくなった場合、つまり、需要家３００の温熱需要Ｑｗが、常温熱Ｑｈと、コージェネーション発電システム１０３より排出される排出熱Ｑｄｇと、温熱槽２０５内の湯の蓄熱Ｑｈ−ｓｔと、の合計と一致しなくなったとき（Ｓ４００：ＹＥＳ）、マイクログリッド制御装置４００は、式（１）、式（２）、式（１２）、式（１３）、式（１４）が成立し、且つ、冷熱Ｑｌ及び常温熱Ｑｈを最小化するように、常温槽２０３に蓄熱させる常温熱Ｑｈ、コージェネレーション発電システム１０３より発電させる電力Ｐｄｇ、バイオマス発電システム１０４より発電させる電力Ｐｂの制御量を夫々算定する（Ｓ４０１）。

マイクログリッド制御装置４００は、Ｓ４０１により算定した常温熱Ｑｈを温熱槽２０５に蓄熱させるとともに、Ｓ４０１により算定した電力Ｐｄｇ、Ｐｂをコージェネレーション発電システム１０３及びバイオマス発電システム１０４に指定する（Ｓ４０２）。尚、最小化の際には、局所探索手法や焼きなまし手法等の最適化手法を用いる。

また、この場合に調整されるパラメータは、冷熱槽２０１に蓄熱させる冷熱Ｑｌ、冷熱槽２０１に蓄熱させる熱Ｑｌ−ｓｔ、常温槽２０３に蓄熱させる熱Ｑｍ−ｓｔ、温熱槽２０５に蓄熱させる熱Ｑｈ−ｓｔ、超電導電力貯蔵システム１０５の蓄電量Ｐｓｍである（Ｓ４０３）。但し、熱Ｑｌ−ｓｔ、Ｑｍ−ｓｔ、Ｑｈ−ｓｔ、蓄電量Ｐｓｍに対して夫々上下限レベルを設定することで、熱Ｑｌ−ｓｔ、Ｑｍ−ｓｔ、Ｑｈ−ｓｔ、蓄電量Ｐｓｍを所定範囲内に確保するようにする。Ｓ４００からＳ４０３の制御ループは、熱電制御の終了まで繰り返される。

＝＝＝冷熱の需給バランス変動時の熱電制御＝＝＝
図５に示すフローチャートを用いた、式（１２）が成立しなくなった場合、つまり、冷熱槽２０１に蓄熱される冷熱Ｑｌは、冷熱需要Ｑｃと、冷凍機１０５に供給する熱Ｑｓｍと、冷熱槽２０１内の熱Ｑｌ−ｓｔと、の合計が一致しなくなったとき（Ｓ５００：ＹＥＳ）、マイクログリッド制御装置４００は、式（１）、式（２）、式（１２）、式（１３）、式（１４）が成立するように、且つ、冷熱Ｑｌ及び常温熱Ｑｈを最小化するように、冷熱Ｑｌ、コージェネレーション発電システム１０３より発電される電力Ｐｄｇ、バイオマス発電システム１０４より発電される電力Ｐｂの制御量を夫々算定する（Ｓ５０１）。

マイクログリッド制御装置４００は、Ｓ５０１により算定した冷熱Ｑｌを冷熱槽２０１に蓄熱させるとともに、Ｓ５０１により算定したＰｄｇ、Ｐｂをコージェネレーション発電システム１０３及びバイオマス発電システム１０４に夫々指定する（Ｓ５０２）。尚、最小化の際には、局所探索手法や焼きなまし手法等の最適化手法を用いる。

また、この場合において調整されるパラメータは、常温熱Ｑｈ、冷熱槽２０１に蓄熱された熱Ｑｌ−ｓｔ、常温槽２０３内の空気の蓄熱Ｑｍ−ｓｔ、温熱槽２０５内の湯の蓄熱Ｑｈ−ｓｔ、超電導電力貯蔵システム１０５に蓄電される蓄電量Ｐｓｍである（Ｓ５０３）。但し、熱Ｑｌ−ｓｔ、Ｑｍ−ｓｔ、Ｑｈ−ｓｔ、蓄電量Ｐｓｍに対して夫々上下限レベルを設定することで、熱Ｑｌ−ｓｔ、Ｑｍ−ｓｔ、Ｑｈ−ｓｔ、蓄電量Ｐｓｍを所定範囲内に確保するようにする。Ｓ５００からＳ５０３の制御ループは、熱電制御の終了まで繰り返される。

以上のとおり、マイクログリッド電力系統１００及びマイクログリッド熱系統２００によれば、コージェネレーション発電システム１０３による熱電併給システムと比べて、熱や電力の需給バランスを個々に制御することが可能となる。また、熱や電力の需給バランスを制御するための自由度が向上することになる。

例えば、コージェネレーション発電システム１０３より排出される排出熱Ｑｄｇ（＝αＰｄｇ）が、需要家３００の温熱需要Ｑｗよりも多い場合（Ｑｗ＜αＰｄｇ）、温熱供給用ヒートポンプ２０４を停止して、温熱供給用ヒートポンプ２０４により常温槽２０３から温熱槽２０５に移動される常温熱Ｑｈをゼロにするか、バイオマス発電システム１０４より発電される電力Ｐｂを増加し且つコージェネレーション発電システム１０３より発電される電力Ｐｄｇを減少することで、式（１４）を成立させることができる。

例えば、コージェネレーション発電システム１０３より排出される排出熱Ｑｄｇ（＝αＰｄｇ）が、需要家３００の温熱需要Ｑｗよりも少ない場合（Ｑｗ＞αＰｄｇ）、温熱供給用ヒートポンプ２０４を運転して、温熱供給用ヒートポンプ２０４により常温槽２０３から温熱槽２０５に常温熱Ｑｈを移動させるようにするか、バイオマス発電システム１０４より発電される電力Ｐｂを減少し且つコージェネレーション発電システム１０３より発電される電力Ｐｄｇを増加することで、式（１４）を成立させることができる。

また、冷熱供給用ヒートポンプ２０２、温熱供給用ヒートポンプ２０４のようにヒートポンプ２台の構成としたことで、需要家３００の冷熱需要Ｑｃや温熱需要Ｑｗのアンバランス分が吸収しやすくなるとともに、大気熱やコージェネレーション発電システム１０３より排出される排出熱Ｑｄｇの有効活用が可能となる。また、ポンプアップする温度差が小さくなるため、冷熱供給用ヒートポンプ２０２、温熱供給用ヒートポンプ２０４の性能係数ＣＯＰを高くすることができる。

例えば、需要家３００の冷熱需要Ｑｃが温熱需要Ｑｗよりも少ない場合（Ｑｃ＜Ｑｗ）、式（１２）において、冷熱供給用ヒートポンプ２０２より冷熱槽２０１から移動される冷熱Ｑｌの不足分を、常温熱Ｑｍ、コージェネレーション発電システム１０３より排出される排出熱の残熱Ｑｄｇ’、常温槽２０３内の空気の蓄熱Ｑｍ−ｓｔによって調整することができる。

また、冷熱槽２０１に蓄熱された熱Ｑｌ−ｓｔを増加させて冷熱Ｑｌを増加することで、式（１２）で表される熱の需給バランスを調整することができる。さらに、温熱槽２０５内の湯の蓄熱Ｑｈ−ｓｔを増加させて常温熱Ｑｈを減少するか、若しくは、コージェネレーション発電システム１０３より発電される電力Ｐｄｇを増加させることで、常温熱Ｑｈを減少させることができる。但し、コージェネレーション発電システム１０３より発電される電力Ｐｄｇを増加したため、ひいてはマイクログリッド電力系統１００の全発電量Ｐｇが増加したため、式（１）及び式（２）において、超電導電力貯蔵システム１０５の蓄電量Ｐｓｍを減少させて、電力の需給バランスを調整する必要がある。

以上より、式（１２）、式（１３）、式（１４）で表される熱の需給バランスを調整することができる。尚、ヒートポンプ１台の構成の場合、例えば、冷熱槽２０１、冷熱供給用ヒートポンプ２０２、温熱槽２０５の構成となる場合、需要家３００の冷熱需要Ｑｃと温熱需要Ｑｗとの間のアンバランス分は、冷熱槽２０１、温熱槽２０５の蓄熱のみで調整しなければならなくなる。このため、ヒートポンプ２台の構成の方が、上記アンバランス分の調整のための自由度が増すことになる。

以上、本発明を実施するための最良の形態について説明したが、上記実施の形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。

本発明の一実施形態に係る熱電供給システムの全体構成を示した図である。 本発明の一実施形態に係るマイクログリッド制御装置の構成並びにその周辺の接続を示した図である。 本発明の一実施形態に係る電力の需給バランス変動時における熱電制御の具体的な処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る温熱の需給バランス変動時における熱電制御の具体的な処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る冷熱の需給バランス変動時における熱電制御の具体的な処理の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１００ マイクログリッド電力系統
１０１ 太陽光発電システム
１０２ 風力発電システム
１０３ コージェネレーション発電システム
１０４ バイオマス発電システム
１０５ 超電導電力貯蔵システム
１０６ 冷凍機
２００ マイクログリッド熱系統
２０１ 冷熱槽
２０２ 冷熱供給用ヒートポンプ
２０３ 常温槽
２０４ 温熱供給用ヒートポンプ
２０５ 温熱槽
４００ マイクログリッド制御装置

Claims (5)

1. 電力と熱とを供給する熱電供給システムであって、
   電力系統と、
   前記電力系統に接続されるコージェネレーション発電システムとバイオマス発電システムとを含む複数の分散型電源と、
   常温熱Ｑｈを蓄熱する常温槽と、
   前記コージェネレーション発電システムにおいて発電される電力Ｐｄｇに応じて排出される排出熱Ｑｄｇと、前記常温槽に蓄熱された常温熱Ｑｈと、を蓄熱する温熱槽と、
   運転時に前記常温槽に蓄熱された常温熱Ｑｈを前記温熱槽に移動させるヒートポンプと、
   前記温熱槽に蓄熱された温熱が前記バイオマス発電システムにおいて電力Ｐｂを発電させるためのバイオマス熱Ｑｂを含んだ前記需要家の温熱需要Ｑｗを賄えるように、前記コージェネレーション発電システムにおいて発電される電力Ｐｄｇ、前記バイオマス発電システムにおいて発電される電力Ｐｂ及び前記ヒートポンプの運転又は停止を制御する制御装置と、
   を有することを特徴とする熱電供給システム。
2. 請求項１に記載の熱電供給システムであって、
   前記需要家の温熱需要Ｑｗのうち前記バイオマス熱Ｑｂとそれ以外の温熱需要Ｑｗ’、前記常温槽に蓄熱された常温熱Ｑｈ、前記コージェネレーション発電システムの排出熱Ｑｄｇを用いた、
   Ｑｗ’＋Ｑｂ＝Ｑｈ＋Ｑｄｇ
   として定義される熱需給式が成立するように、前記コージェネレーション発電システムにおいて発電される電力Ｐｄｇ、前記バイオマス発電システムにおいて発電される電力Ｐｂ及び前記ヒートポンプの運転又は停止を制御する、
   ことを特徴とする熱電供給システム。
3. 請求項２に記載の熱電供給システムであって、
   前記制御装置は、
   前記熱需給式においてＱｗ’＋Ｑｂ＜Ｑｈ＋Ｑｄｇの場合、前記バイオマス発電システムにおいて発電される電力Ｐｂを増加させるとともに、前記コージェネレーション発電システムにおいて発電される電力Ｐｄｇを減少させ、
   前記熱需給式においてＱｗ’＋Ｑｂ＞Ｑｈ＋Ｑｄｇの場合、前記バイオマス発電システムにおいて発電される電力Ｐｂを減少させるとともに、前記コージェネレーション発電システムにおいて発電される電力Ｐｄｇを増加させる、
   ことを特徴とする熱電供給システム。
4. 請求項３に記載の熱電供給システムであって、
   前記制御装置は、
   前記熱需給式においてＱｗ’＋Ｑｂ＜Ｑｈ＋Ｑｄｇの場合、前記ヒートポンプを停止させ、
   前記熱需給式においてＱｗ’＋Ｑｂ＞Ｑｈ＋Ｑｄｇの場合、前記ヒートポンプの運転させる、
   ことを特徴とする熱電供給システム。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱電供給システムであって、
   前記制御装置は、
   前記コージェネレーション発電システムにおいて発電される電力Ｐｄｇ及び前記バイオマス発電システムにおいて発電される電力Ｐｂを含んだ前記電力系統から供給される電力Ｐｇが前記需要家の電力需要Ｐｄを賄えるように、前記コージェネレーション発電システムにおいて発電される電力Ｐｄｇ及び前記バイオマス発電システムにおいて発電される電力Ｐｂを制御する、
   ことを特徴とする熱電供給システム。

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