JP4963519B2

JP4963519B2 - コージェネレーションシステム及びその運転制御方法

Info

Publication number: JP4963519B2
Application number: JP2011039319A
Authority: JP
Inventors: 海良一鳥
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2011-02-25
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2024-07-02
Also published as: JP2011149433A

Description

本発明は、例えば燃料電池やガスエンジン等を備えたコージェネレーションシステムとその運転制御方法に関する。

図７は、燃料電池１と、例えば前記燃料電池１の排熱を蓄え、その蓄えた排熱をバーナー等の加熱器を設けてさらに加熱できる貯湯槽（熱源機）３及び運転制御用パネル４を備えた温水供給システム２と、その温水供給システム２の温水を利用する床暖房パネル５と、床暖房パネル５を制御する床暖房コントローラ６とを備えたコージェネレーションシステムである。当該システムには、燃料電池１及び前記貯湯槽（熱源機）３へのガス供給ラインＰ（気体燃料である都市ガス供給系統）に「マイコンメータ」と称されるガスメータ７が介装されている。

燃料電池コージェネレーションを例にとれば、燃料電池は起動時に水素製造のため改質器の温度を上昇させる必要があり、電気及び／又はガスバーナにより加熱しなくてはならない。即ち、例えば、燃料電池を備えた家庭において、当該燃料電池の起動時にある程度の電力消費が増加することとなる。またエンジンコージェネレーションの場合も同様に起動時にある程度電力消費が増加する。

図９の電力消費量の経時変化を示した特性図に示す如く、起動時エネルギ電力Ｅｓにより、電力消費量が増加することは、家庭の電力負荷が契約電力ＷＬ付近、例えば、４０Ａ契約の場合、３８Ａ（＝約３．８ｋＷ）消費している場合、起動電力Ｅｓ分の電力消費が起こるので、契約電力を超えてしまう（図９においてハッチングを施した領域ΔＥ）ことになり、その状態が或る時間以上継続するために、分電盤のブレーカー（「電流制御器」、サービスブレーカーまたはアンペアブレーカー）が落ちてしまい、結局、燃料電池（またはエンジン）も停止を余儀なくされる。

従来技術において、コージェネレーションシステム（例えば燃料電池コージェネレーションシステム）の起動エネルギ量を軽減する技術が提案されている（特許文献１参照）。
しかしながら、起動エネルギにより、家庭用分電盤のブレーカーが落ちてしまう現象を抑止する運転制御方法は未だ提案されていない。

特開２００４−３９４３０号公報

本発明は、燃料電池やエンジンの様な燃料により熱及び電気を出力する手段を起動した際に、消費電力（電力需要）が増加して契約電力を超過した状態となってしまうことを確実に防止することが出来るコージェネレーションシステム及びその運転制御方法の提供を目的としている。

本発明によれば、分電盤のブレーカーを介して電力が供給されるコージェネレーションシステムにおいて、燃料により熱および電気を出力する手段（１）と、少なくとも電力機器（５０）における電力消費量を計測する計測手段（７５）と、前記電力機器（５０）の電力消費量に応じて停止する電力機器（５０）に優先順位をつけたデータとして記録されたメモリ（８）と、制御手段（４０）とを有しており、前記制御手段（４０）は燃料により熱および電気を出力する手段（１）を起動する時刻の所定時間前の時刻で前記計測手段（７５）によって計測した電力消費量が前記燃料により熱および電気を出力する手段（１）の起動可能限界値よりも少ない場合に燃料により熱および電気を出力する手段（１）を起動させ、前記電力消費量が前記燃料により熱および電気を出力する手段（１）の起動可能限界値よりも多い場合に前記メモリ（８）の記録されたデータによって前記電力機器（５０）の所定の機器を停止した後に前記燃料により熱および電気を出力する手段（１）を起動する機能を有するようになっている。

また、本発明によれば、分電盤のブレーカーを介して電力が供給されるコージェネレーションシステムの運転制御方法において、燃料により熱および電気を出力する手段（１）と、少なくとも電力機器（５０）における電力消費量を計測する計測手段（７５）と、前記電力機器（５０）の電力消費量に応じて停止する電力機器（５０）に優先順位をつけたデータとして記録されたメモリ（８）と、制御手段（４０）とを備え、前記燃料により熱および電気を出力する手段（１）を起動する時刻の所定時間前の時刻であるか否かを判定し（Ｓ３１）、所定時間前になったならば現時点の電力機器（５０）の消費電力を計測し（Ｓ３２）、電力機器（５０）の電力消費量が燃料により熱および電気を出力する手段（１）の起動限界値よりも少ないか否かを判断し（Ｓ３３）、起動限界値よりも少なければ燃料により熱および電気を出力する手段（１）を起動し、起動限界値より少なくなければ前記メモリ（８）に記録されたデータによって前記電力機器（５０）の所定の機器を停止した後に前記燃料により熱および電気を出力する手段（１）を起動するようになっている。
ここで、燃料により熱及び電気を出力する手段（１）を起動する時点で、当該起動に必要な電力と当該時点における電力消費量との合計が使用可能な電力（例えば、契約電力、燃料電池起動可能限界）未満である場合には起動する工程（Ｓ２５）を含んでいるのが好ましい。

本発明において、予め電力需要や給湯需要の計測を行い、該計測結果に基づいて需要予測を行って燃料（例えば、都市ガス）により熱及び電気を出力する手段の起動時刻を事前に決定するのが好ましい。そして、決定された起動時刻が、上述した「燃料により熱及び電気を出力する手段を起動する時点」である。
また、燃料により熱及び電気を出力する手段（１）は、自動制御により運転されることが好ましい。

上述した構成及び制御方法を具備した本発明によれば、制御手段（コントロールパネル４０）は、燃料により熱及び電気を出力する手段（１）を起動する時点で、当該起動に必要な電力と当該時点における電力消費量との合計が使用可能な電力（例えば、契約電力、燃料電池起動可能限界）以上となった場合には熱及び電気を出力する手段（１）を起動せず、起動に必要な電力と当該時点における電力消費量との合計が使用可能な電力未満である場合には起動する制御を行う様に構成されているので、燃料により熱及び電気を出力する手段（例えば、燃料電池１）の起動時の電力消費量増加に起因して、契約電力を超えて分電盤のブレーカーが落ちることを防止出来る。

上記効果は、運転制御基板（コントロールパネル４）内の需要学習データを活用することで、例えば、「後何時間燃料電池を起動させるべきでない」と言う判断を、容易、且つ精度よく実現することが出来る。

本発明のコージェネレーションシステムに関する参考例の全体構成を示すブロック図。図１に示す参考例について電力消費量の経時変化を説明する特性図。図１に示す参考例による制御方法を示す制御フローチャート。本発明の実施形態の全体構成を示すブロック図。前記参考例について別の実施形態による制御方法を示す制御フローチャート。本発明の実施形態における制御方法を示す制御フローチャート。従来技術によるコージェネレーションシステムの全体構成を示すブロック図。従来技術によるコージェネレーションシステムのガス消費量の経時変化を説明する特性図。従来技術によるコージェネレーションシステムの電力消費量の経時変化を説明する特性図。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
なお、以下の実施形態では、熱及び電気を出力する機器として、燃料電池を採用し、燃料として気体燃料である都市ガスを使用する場合について説明する。

まず、本発明による実施形態を説明する前に、本発明に関する参考例の実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。
図１において、全体を符号Ｂで示すコージェネレーションシステムは、燃料電池（燃料により熱及び電気を出力する手段）１と、熱源機であるガス給湯器（燃料消費機器）３及び運転制御基板であるコントロールパネル４からなる温水供給装置２と、前記ガス給湯器３から温水熱を供給される床暖房パネル５と、前記ガス給湯器３に接続され床暖房パネル５のＯＮ／ＯＦＦ及び温度調整を行う床暖房コントローラ６と、燃料電池１及び熱源機３にガスを供給するガス供給管Ｐ１〜Ｐ３とから構成されている。

前記コントロールパネル４は、燃料電池１から、例えば通信線により、家庭内電力需要値、発電量を受信している。そして、燃料電池１への発電指令値及び起動停止指令を送信している。また、コントロールパネル４は、温水供給装置内の熱源機（給湯器）３内の図示しない基板と接続され、同様に通信線によって給湯器３内の床暖房使用熱量などの情報が取得可能に構成されている。さらに、給湯器３に接続された床暖房コントローラ６の情報、設定が通信線を介して可能となっている。

前記ガス供給管Ｐ１にはガスメータ７が介装されており、そのガスメータ７の下流側には分岐点Ｊが設けられ、その分岐点Ｊにおいて、一方が前記燃料電池１と接続される供給管Ｐ２、他方が前記熱源機３に接続される供給管Ｐ３に分岐している。なお、ガスメータ７は、燃料電池１用のガスメータとしての機能と、熱源機（給湯器）３用のガスメータとしての機能とを併せ持つタイプとして構成されている。もちろん、燃料電池１用のガスメータと、熱源機（給湯器）３用のガスメータとを別個に設けても良い。

前記床暖房パネル５は、温水供給ラインＴｈによって熱源器３と温水が循環可能に接続されている。

前記コントロールパネル４は燃料電池１及び熱源機３にそれぞれ制御信号ラインＬ１、Ｌ２で接続されている。

なお、明確には図示されていないが、燃料電池１及び／又は熱源機３には、ガス消費量計測器が組み込まれている。若しくは、使用熱量をサーミスタや流量計によりカウントし、ガス消費量に積算可能である。

運転制御基板であるコントロールパネル４には電力消費量計測専用の計測器７０が接続されている。

図１〜図３に示す参考例についての実施形態は、コントロールパネル４が、起動時の起動電力消費量増大に関しては、燃料電池１からの通信線経由で家庭内消費電力を常に計測・把握している。そして、配電盤のブレーカーが落ちること無く燃料電池が起動できるように、電力消費量が、燃料電池を起動できる電力消費量よりも少なくなるまで、燃料電池を起動しない制御を行う例である。

図２の電力消費量の経時変化を表した特性図において、破線Ｗ_αで示すように、燃料電池起動時刻直前に、電力消費量（特性線：実線Ｌａ）が設定閾値Ｗ_α以下となっても、再び、電力消費量が増加する場合（破線Ｌｂ）がある。

燃料電池１の起動時刻前に、一時的に電力消費量が設定閾値Ｗ_α以下となっても、再び、電力消費量が増加してしまう現象（破線Ｌｂで示す現象）が生じるか否かは、電力需要予測結果から把握可能である。従って、電力需要予測により、起動に必要な時間（例えば、１時間）の間に、電力需要が設定閾値Ｗ_αよりも大きくなってしまう事態が起こらないような時間帯Ｔ_αを決定する。そして、その様な時間帯Ｔ_αまで、燃料電池１を起動しないように制御する。
すなわち、起動に必要な時間（１時間）の間に電力需要が設定閾値Ｗ_αよりも大きくなってしまう事態が生じることが、需要予測から予測される時間帯では、燃料電池１を起動しないように制御している。

上記参考例のコージェネレーションシステムＢの制御方法について、図３を参照して説明する。

先ず、ステップＳ１１では、コントロールパネル４は燃料電池１の運転予定時刻が近づいたか否かを判断して、予定運転時刻が近づいていなければ（ステップＳ１１のＮＯ）、ステップＳ１１のループを繰り返す。一方、運転予定時刻に近づいたなら（ステップＳ１１のＹＥＳ）、ステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２では、現在の消費電力（電力需要）を計測し、次のステップＳ１３では、契約電力から消費電力を引いた値が閾値Ｗ_α以内であるか否かを判断する。ここで、契約電力は図示しない台所リモコン上から取得可能であり、電力契約変更時に数値が変更可能に構成されている。

契約電力から消費電力を引いた値が閾値Ｗ_α以内であれば（ステップＳ１３のＹＥＳ）、燃料電池を起動しないで（ステップＳ１５）ステップＳ１２まで戻り、再びステップＳ１２以降を繰り返す。一方、閾値Ｗ_αを越えていれば（ステップＳ１３のＮＯ）、燃料電池を起動して（ステップＳ１４）制御を終える。

次に、上記参考例の第２の実施形態について説明する。
図４及び図５に示す実施形態は、燃料電池が起動したならば、それ以上の電力は使えない様にする制御を実行する実施形態である。

図４に示すように、全体を符号Ｃで示すコージェネレーションシステムは、燃料電池１と、各種電気製品群５０と、制御基板であるコントロールパネル４０と、各種電気製品の電力消費量を計測する電力計７５と、記憶手段であるメモリ８とにより構成されている。

以下、当該実施形態の制御方法を図５に基づいて説明する。
先ず、ステップＳ２１では、コントロールパネル４０は燃料電池１の運転予定時刻が近づいたか否かを判断し、予定運転時刻が近づいていなければ（ステップＳ２１のＮＯ）、ステップＳ２１のループを繰り返す。一方、運転予定時刻に近づいたなら（ステップＳ２１のＹＥＳ）、ステップＳ２２に進む。

ステップＳ２２では、現在の消費電力（電力需要）を計測し、次のステップＳ２３では、契約電力から消費電力を引いた値が閾値Ｗ_α以内であるか否かを判断する。

契約電力から消費電力を引いた値が閾値Ｗ_α以内であれば（ステップＳ２３のＹＥＳ）、燃料電池１を起動しないで（ステップＳ２４）、ステップＳ２２まで戻り、再びステップＳ２２以降を繰り返す。一方、閾値Ｗ_αを越えていれば（ステップＳ２３のＮＯ）、燃料電池１を起動して（ステップＳ２５）、図示しない計時カウンタ（タイマ）によって計時を開始する（ステップＳ２６）。

次のステップＳ２７では、コントロールパネル４０は所要時間が経過したか否かを判断し、所要時間が経過していれば（ステップＳ２７のＹＥＳ）、ステップＳ２８に進む。一方所要時間が経過していなければ（ステップＳ２７のＮＯ）、ステップＳ２９に進む。

ステップＳ２８では、コントロールユニット４０から各種電気製品５０に対して通信線等による新たな電力需要（電力消費）の禁止を解除した後、制御を終了する。

ステップＳ２９では、新たな電力需要（電力消費）を禁止した後、ステップＳ２７に戻り、ステップＳ２７以降を繰り返す。

次に、本発明による実施形態を図６に基づいて説明する。尚、システムの構成は前記参考例の第２の実施形態（図４）と同様である。

図６に示すフローチャートは、本発明の実施形態における、ブレーカーが落ちること無く燃料電池が起動できるように、燃料電池起動直前に、電力消費量が燃料電池起動可能限界（ブレーカーが落ちること無く燃料電池１が起動できる様な電力消費量）よりも少なくなる様に、稼動中の家電製品を強制的に停止する実施例である。

先ず、ステップＳ３１において、コントロールパネル４０は、燃料電池起動開始の所定時刻、例えば５分前になるまで監視しており、所定時刻前になったら（ステップＳ３１のＹＥＳ）、現時点の消費電力、即ち、その時点の電力需要を計測する（ステップＳ３２）。

次のステップＳ３３では、コントロールパネル４０は、消費電力量が燃料電池起動可能限界よりも少ないか否かを判断し、少なければ（ステップＳ３３のＹＥＳ）、燃料電池１を起動（ステップＳ３４）した後、ステップＳ３２に戻り、再びステップＳ３２以降を繰り返す。
一方、消費電力量が起動可能限界よりも多ければ（ステップＳ３３のＮＯ）、ステップＳ３５まで進む。

ステップＳ３５では、電力消費量が燃料電池起動可能限界よりも少なくなるように、メモリ８に記憶されたデータ及び現時点でのデータを参照して、優先順位に従って、可動停止するべき家電製品を、前記家電製品群５０から選んで決定する。そして、次のステップＳ３６に進む。

ステップＳ３６では、決定された家電製品が停止することを表示して、警告を与え、ステップＳ３７に進む。

ステップＳ３７では、コントロールパネル４０は、表示・警告から所要時間が経過するまで監視しており、所要時間が経過したなら（ステップＳ３７のＹＥＳ）、決定された家電製品を停止し（ステップＳ３８）、燃料電池１を起動させる（ステップＳ３９）。

次のステップＳ４０では、経時カウンタ（タイマ）による計時を開始し、ステップＳ４１においてコントロールパネル４０は、経時開始から所要時間が経過したか否かを判断する（ステップＳ４１）。

所要時間が経過していれば（ステップＳ４１のＹＥＳ）、ステップＳ４２に進む。一方、所要時間が経過していなければ（ステップＳ４１のＮＯ）、ステップＳ４３に進む。

ステップＳ４２では、新たな電力需要（電力消費）の禁止を解除した後、制御を終了する。

ステップＳ４３では、新たな電力需要（電力消費）を禁止した後、ステップＳ４１に戻り、ステップＳ４１以降を繰り返す。

上述した構成及び制御方法を備えた本発明の実施形態によれば、燃料電池１を起動する時点で、当該起動に必要な電力と当該時点における電力消費量との合計が使用可能な電力（例えば、契約電力、燃料電池起動可能限界）以上となった場合には燃料電池１を起動せず、一方、起動に必要な電力と当該時点における電力消費量との合計が使用可能な電力未満である場合には起動する制御を行う構成であるので、燃料電池１の起動時の電力消費量増加に起因して、契約電力を超えて分電盤のブレーカーが落ちることを防止出来る。

なお、図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではない。
例えば、図示の実施形態では、燃料電池コージェネレーションシステムが例示されているが、熱及び電気を発生する手段は燃料電池に限定されるものではなく、例えば、ガスエンジンの様な内燃機関等を用いることが可能である。
また、ガス消費量が一定の場合について、燃料電池と床暖房を同時に使用した場合について例示及び説明しているが、ガス使用機器についても、床暖房用の機器に限定されるものではない。
さらに、燃料は都市ガスに限定される訳ではなく、都市ガス以外の気体燃料や、石油や灯油の様な液体燃料や、固体燃料（例えば、粉粒状の石炭等）であっても良い。

１・・・燃料電池（ＦＣ）
２・・・温水供給装置
３・・・熱源機
４、４０・・・運転制御基板／コントロールユニット
５・・・床暖房パネル
５０・・・各種電気製品
６・・・床暖房コントローラ
７・・・ガスメータ／マイコンメータ
７０・・・計測器
７５・・・各種電気製品の電力消費量計測手段
８・・・メモリ
Ｂ、Ｃ・・・コージェネレーションシステム
Ｐ１〜Ｐ３・・・ガス供給管
Ｊ・・・分岐点

Claims

分電盤のブレーカーを介して電力が供給されるコージェネレーションシステムにおいて、燃料により熱および電気を出力する手段と、少なくとも電力機器における電力消費量を計測する計測手段と、前記電力機器の電力消費量に応じて停止する電力機器に優先順位をつけたデータとして記録されたメモリと、制御手段とを有しており、前記制御手段は燃料により熱および電気を出力する手段を起動する時刻の所定時間前の時刻で前記計測手段によって計測した電力消費量が前記燃料により熱および電気を出力する手段の起動可能限界値よりも少ない場合に燃料により熱および電気を出力する手段を起動させ、前記電力消費量が前記燃料により熱および電気を出力する手段の起動可能限界値よりも多い場合に前記メモリの記録されたデータによって前記電力機器の所定の機器を停止した後に前記燃料により熱および電気を出力する手段を起動する機能を有することを特徴とするコージェネレーションシステム。
分電盤のブレーカーを介して電力が供給されるコージェネレーションシステムの運転制御方法において、燃料により熱および電気を出力する手段と、少なくとも電力機器における電力消費量を計測する計測手段と、前記電力機器の電力消費量に応じて停止する電力機器に優先順位をつけたデータとして記録されたメモリと、制御手段とを備え、前記燃料により熱および電気を出力する手段を起動する時刻の所定時間前の時刻であるか否かを判定し、所定時間前になったならば現時点の電力機器の消費電力を計測し、電力機器の電力消費量が燃料により熱および電気を出力する手段の起動限界値よりも少ないか否かを判断し、起動限界値よりも少なければ燃料により熱および電気を出力する手段を起動し、起動限界値より少なくなければ前記メモリに記録されたデータによって前記電力機器の所定の機器を停止した後に前記燃料により熱および電気を出力する手段を起動することを特徴とするコージェネレーションシステムの運転起動方法。