JP5236407B2 - コージェネレーションシステム、運転制御装置、コージェネレーションシステムの運転方法及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、例えば、燃料電池コージェネレーションシステム、ガスエンジンコージェネレーションシステムなどの、電力と熱とを発生する熱電併給装置を設けたコージェネレーションシステム、その運転制御装置および運転方法に関するものである。

コージェネレーションシステムは、需要家に設置され、発電機で発電した電力を需要家へ供給し電力負荷の電力需要を賄うとともに、発電に伴う排熱を回収して蓄熱することで需要家の熱負荷などの熱需要を賄うものである。この装置は、火力発電などの従来の発電システムと比較してエネルギー効率が非常に高く、省エネ機器として普及が期待されている。

しかしながら、コージェネレーションシステムの省エネルギー性を最大限に発揮するためには、需要家の電力負荷の電力需要及び熱需要に適した運転を行う必要がある。例えば、需要家で熱が使われないのに、電力需要に合わせてコージェネレーションシステムで発電が行われると、蓄熱量が増え続け、いずれ蓄熱可能な容量である最大蓄熱量を超えてしまう。この場合には、熱を捨てながら発電を続けるか、もしくは無駄な熱がこれ以上発生しないように発電機を停止することとなり、需要家の電力需要を賄うことが出来なくなる。どちらの対処を行っても省エネルギー性が低下する。

このため、コージェネレーションシステムには、自動的に需要家の将来の電力需要及び熱需要を予測し、その予測に基づいて省エネルギー性が向上する運転を計画し、予測より蓄熱量が多くなった場合に、最大蓄熱量を超える前に省エネルギー性の損失をできるだけ少なくするように対処するシステムが求められている。

そこで、省エネルギー性の向上を図るために、蓄熱量が最大蓄熱量を越えることを防ぐコージェネレーションシステムが提案されている（特許文献１及び特許文献２を参照）。

特許文献１には、蓄熱量が最大蓄熱量になることで発電機が停止することを抑制するコージェネレーションシステムが開示されている。このコージェネレーションシステムでは、所定の期間計測された電力負荷の電力需要と熱需要とから将来の電力需要及び熱需要の予測と運転計画の作成が行われる。そして、蓄熱量が最大蓄熱量になることによる発電機の運転停止の回数を抑制するため、もしくは、特定の時間帯に蓄熱量が最大蓄熱量にならないようにするため、蓄熱量が最大蓄熱量になると判断したら、発電機が発電出力を下げた運転を行ったり、予測された電力需要あるいは温水消費量から余剰となる蓄熱量を算出して廃棄を行ったりするように制御される。これらの処理により、蓄熱量が最大蓄熱量を越えて発電機が停止することを回避することが可能となる。

特許文献２には、蓄熱量が最大蓄熱量になる時刻を遅らせるように制御するコージェネレーションシステムが開示されている。このコージェネレーションシステムでは、測定された蓄熱量が設定された蓄熱量を越えた場合に、最大発電出力より小さくなるように発電機の発電出力が調整される。また、この発電出力の調整制御を行うために設定される設定蓄熱量が２種類設けられ、給湯需要がピークの時間帯でない場合は、低い方の設定蓄熱量を越えた時点から、給湯需要がピークの時間帯の場合は、高い方の設定蓄熱量を越えた時点から、発電出力の調整が行われる。この処理により、蓄熱量が最大蓄熱量を超える時刻を遅らせることで、蓄熱量が最大蓄熱量になって以降も発電を継続する場合の排熱回収効率の低下を抑制することが可能になる。

これらのコージェネレーションシステムにより、蓄熱器の蓄熱量が最大蓄熱量を超えて発電機が停止することを回避したり、蓄熱量が最大蓄熱量を超える時刻を遅らせたりすることが可能となり、省エネルギー性の向上を図ることができる。
特開２００３−４５４６０号公報 特開２００２−２８９２３９号公報

しかしながら、上記特許文献に記載の従来のコージェネレーションシステムのように蓄熱器の蓄熱量が最大蓄熱量になる前に予め発電機の発電出力を低下させる運転方法によれば、常に省エネルギー性が向上するとは限らず、省エネルギー性が低下する場合がある。

これは、発電機が発電出力を下げた運転を行う場合、発電機が発電出力を下げない運転を行う場合よりもコージェネレーションシステムとしては、一般的にエネルギー効率の悪い状態であるため省エネルギー性が低下することによるものである。例えば、発電機の停止予定時刻が設定されているように構成されたシステムにおいて、蓄熱器の蓄熱量が最大蓄熱量に近づいた場合に、上記従来のシステムと同様に発電機の発電出力を低下させ最大蓄熱量になる時間を延ばそうとしても、上記停止予定時刻までの時間が短い場合は、最大蓄熱量になるまでの時間延長効果が十分得られずに停止予定時刻を迎えて停止してしまうことが想定される。このような場合、発電出力を低下させたことによる省エネルギー性の低下の方が最大蓄熱量になる時間を延長することによる省エネルギー性能の向上効果を上回り、発電機の発電出力を低下させることが却って省エネルギー性の低下につながってしまうことになる。

そこで、本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、停止予定時刻が設定されている状態で、蓄熱量が最大蓄熱量に近づいた場合に、適切に発電出力の制御を行うことで、省エネルギー性の向上を図ることができるコージェネレーションシステム、その運転制御装置および運転方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るコージェネレーションシステムは、発電機と、前記発電機から回収した熱を貯える蓄熱器と、発電機の発電量を制御する発電量制御器と、を備え、前記発電量制御器は、前記蓄熱器に蓄熱された蓄熱量が最大蓄熱量より小さい第１の閾値以上になったときに予め設定された停止時刻までの残り時間が第２の閾値以上である場合、前記発電機の出力が最大発電量よりも小さくなるよう前記出力を制限し、前記蓄熱量が前記最大蓄熱量より小さい第１の閾値以上になったときに予め設定された停止時刻までの残り時間が第２の閾値未満である場合、前記発電機の出力について前記制限を行わないことを特徴とする。

このように構成することで、蓄熱器の蓄熱量が最大蓄熱量に近づいた場合に、停止時刻までの時間が長ければ、発電機の出力を最大蓄熱量よりも小さい出力に制限し、最大蓄熱量に達するまでの時間を延長することで、その間に、相当量の熱需要が生じて、最大発電量になる時間の延長効果が十分に得られ、省エネルギー性が向上する可能性が高まる。一方、蓄熱器の蓄熱量が最大蓄熱量に近づいた場合に、停止時刻までの時間が短い場合には、発電出力を制限して、最大蓄熱量になるまでの時間を延長するよりも、発電出力の制限を行わずに発電機の運転を継続させることで、従来よりも省エネルギー性が向上する可能性を高めることができる。

また、本発明は、このようなコージェネレーションシステムとして実現できるだけでなく、そのシステムの最適な制御方法を決定する運転制御装置、又はその装置を構成する処理部をステップとする方法として実現したりすることができる。さらに、本発明は、それらステップをコンピュータに実行させるプログラムとして実現したり、そのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能なＣＤ−ＲＯＭなどの記録媒体として実現したり、そのプログラムを示す情報、データ又は信号として実現したりすることもできる。そして、それらプログラム、情報、データ及び信号は、インターネット等の通信ネットワークを介して配信してもよい。

本発明に係るコージェネレーションシステムによれば、蓄熱量が最大蓄熱量に近づいている場合に、従来のシステムよりもより適切に発電機の発電出力が制御され、省エネルギー性の向上を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態におけるコージェネレーションシステムについて、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係るコージェネレーションシステムの概略構成を示す模式図である。

図１に示すように、コージェネレーションシステム１００は、燃料電池（発電機）１１、蓄熱器１２、温度センサ１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、電力負荷検出器２６、熱負荷検出器２７、操作器６、運転計画器７、及び運転制御装置１０を備えている。

燃料電池１１には、燃料ガス供給装置（図示せず）と酸化剤ガス供給装置（図示せず）が接続されており、これらの供給装置から供給される燃料ガスと酸化剤ガスを電気化学反応させることにより、電気と熱を発生させる。また、燃料電池１１には、電気化学反応により発生した排熱を回収するための一次熱媒体（ここでは、水）流路１１ａが設けられている。一次熱媒体流路１１ａには、一次熱媒体循環路５１が接続されている。そして、一次熱媒体循環路５１は、熱交換器１７に接続されている。

また、熱交換器１７には、二次熱媒体循環路５２が接続されており、二次熱媒体循環路５２の下流端は、蓄熱器１２の上端部に接続されている。蓄熱器１２の下端部には、二次熱媒体循環路５２の上流端が接続されている。また、二次熱媒体循環路５２の途中には、燃料電池１１で発電した電力のうちの余剰電力を消費するための余剰ヒータ１８及び流量調節可能なポンプ（図示せず）が設けられている。なお、ここでは、流量調節が可能なポンプを用いているが、流量調整可能なポンプに代えて、ポンプと流量調節弁等の流量調節器を用いてもよい。

これにより、燃料電池１１の排熱を回収した一次熱媒体は、熱交換器１７を通流する間に、蓄熱器１２の下端部から熱交換器１７に供給された二次熱媒体と熱交換して、冷却される。冷却された一次熱媒体は、一次熱媒体循環路５１を通流して、燃料電池１１の一次熱媒体流路１１ａの入口に供給される。一方、蓄熱器１２の下端部から熱交換器１７に供給された二次熱媒体（ここでは、貯湯水）は、熱交換器１７を通流する間に、加熱される。加熱された二次熱媒体は、二次熱媒体循環路５２を通流して、蓄熱器１２の上端部に供給される。なお、加熱された二次熱媒体は、二次熱媒体循環路５２を通流する間に、必要に応じて、余剰ヒータ１８によりさらに加熱される。

蓄熱器１２は、ここでは、鉛直方向に延びるように形成されていて、いわゆる沸き上げ積層型の貯湯タンクを使用している。蓄熱器１２の下端部には、市水を供給するための水供給路５３が接続されており、蓄熱器１２の上部には、貯湯水を利用者に供給するための貯湯水供給路５４が接続されている。貯湯水供給路５４には、貯湯水を利用する熱負荷（熱利用機器）１９が接続されている。熱負荷１９としては、例えば、給湯機器、暖房機器や空調機器が挙げられ、ここでは、給湯機器を想定している。

また、貯湯水供給路５４の途中には、混合器２８が設けられており、当該混合器２８には、水供給路５３から分岐された混合用水供給路５５が接続されている。混合器２８は、熱負荷１９で使用する貯湯水の温度を、ユーザーが所望する温度に調整するように構成されている。また、貯湯水供給路５４の混合器２８の下流側には、補助熱源器２９が設けられていて、当該補助熱源器２９は、蓄熱器１２内の高温の貯湯水が不足した場合に、メタン等の原料ガスを燃焼させて得た熱を利用して、貯湯水供給路５４を通流する低温の貯湯水を加熱して、熱負荷１９にユーザーが所望する温度に調整した貯湯水を供給することができるように構成されている。

さらに、貯湯水供給路５４の補助熱源器２９の下流側には、熱負荷検出器２７が設けられており、該熱負荷検出器２７は、熱負荷１９で使用された熱量を検出し、検出した熱量を実熱負荷として運転制御装置１０に入力するように構成されている。なお、熱負荷検出器２７は、ここでは、温度センサと流量計から構成されており、貯湯水供給路５４を通流する貯湯水の流量と温度を検出して、検出した貯湯水の流量と温度を運転制御装置１０に出力する。

また、蓄熱器１２の側面には、温度センサ１３ａ〜１３ｃが、蓄熱器１２の鉛直方向における温度分布を検出することができるように配設されている。具体的には、温度センサ１３ａ〜１３ｃは、蓄熱器１２の上層１２ａ、中層１２ｂ、及び下層１２ｃの各表面の中央にそれぞれ位置するように設けられている。温度センサ１３ａ〜１３ｃは、例えば、サーミスタや熱電対で構成されており、その出力（温度検出信号）は運転制御装置１０に入力される。なお、蓄熱器１２の内部には、貯湯水の水位を検出するための水位センサ（図示せず）が設けられており、水位センサで検出した貯湯水の水位は、運転制御装置１０に入力される。一方、運転制御装置１０は、水位センサから入力された水位検出信号によって検出した水位が下がると、蓄熱器１２に市水を補充する。

また、燃料電池１１の出力端子（図示せず）には、適宜な配線により、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の入力端子（図示せず）が接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の出力端子（図示せず）には、適宜な配線により、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１の入力端子（図示せず）が接続されている。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１の出力端子（図示せず）には、適宜な配線により、コージェネレーションシステム１００に含まれる図示されないポンプや弁のアクチュエータ、余剰ヒータ１８等の補機が接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、ここでは、燃料電池１１で発生した直流電力を昇圧するように構成されており、一方、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１は、余剰ヒータ１８等の補機に電力（電圧）を調整しながら直流電力を供給するように構成されている。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の出力端子には、インバータ２２の入力端子（図示せず）が接続されている。インバータ２２の出力端子（図示せず）には、系統連繋点２３を介して、系統電源２４が接続されている。すなわち、インバータ２２と系統電源２４が、系統連繋点２３で系統連繋されている。また、系統連繋点２３には、適宜な配線により電力負荷２５が接続されており、系統連繋点２３と電力負荷２５との間には、電力負荷検出器２６が設けられている。電力負荷検出器２６は、ここでは、カレントトランス等の電流センサで構成されており、電流の大きさを検出し、検出した電流量を運転制御装置１０に出力している。なお、電力負荷検出器２６として、例えば、シャント抵抗を用いた電流センサ、カレントトランスを系統電線にクランプし、１次電流に比例した２次巻き線電流から電流検知するクランプ式交流電流センサ、交流電流を直接計測する交流電流計等を使用してもよい。

これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０で昇圧された直流電流が、インバータ２２で交流電流に変換され、系統電源２４と系統連繋しながら、電力負荷２５に電力が供給される。そして、電力負荷２５で消費された電力量（電力負荷２５に供給された電力量）を電力負荷検出器２６が検出し、検出した電力量（実電力負荷）が運転制御装置１０に出力される。

運転制御装置１０は、マイコン等のコンピュータによって構成されており、コージェネレーションシステム１００の運転を制御する。運転制御装置１０は、発電量制御器１、判定器２、記憶器３、計時器４、及び取得器５を備えている。

ここで、本明細書において、制御装置とは、単独の制御装置だけでなく、複数の制御装置が協働して制御を実行する制御装置群をも意味する。このため、運転制御装置１０は、単独の制御装置から構成される必要はなく、複数の制御装置が分散配置され、それらが協働してコージェネレーションシステム１００を制御するように構成されていてもよい。

操作器６は、ＣＲＴ（Cathode-Ray Tube）やＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等の表示部や、ボタンやタッチパネル等の入力部を備え、運転制御装置１０と使用者とが対話する等のために用いられる。また、操作器６は、使用者の操作により、燃料電池１１が起動を予定している時刻である起動予定時刻及び燃料電池１１が停止を予定している時刻である停止予定時刻を設定する。

運転計画器７は、運転計画期間（例えば、００時００分０１秒〜２４時００分００秒まで）における燃料電池１１の発電計画を含むコージェネレーションシステム１００の運転計画を作成し、運転制御装置１０は、運転計画器７が作成した運転計画に基づいて、コージェネレーションシステム１００全体を制御する。また、運転計画器７は、記憶器３が記憶している電力需要量及び／または熱需要量の過去の履歴に基づいて、燃料電池１１が起動を予定している時刻である起動予定時刻及び燃料電池１１が停止を予定している時刻である停止予定時刻を設定する。

具体的には、運転計画器７は、需要家の電力の使用量と熱の使用量との実績から、運転を計画する運転計画期間での最も一次エネルギー使用量が少ない運転パターンである最適運転パターンを作成する。

つまり、運転計画器７は、需要家の電力負荷の電力需要と熱負荷の熱需要とを計測し、時刻に対する変化を需要履歴として記憶し、この記憶内容に基づき、運転計画期間である翌日の０時から２４時間の電力需要及び熱需要の予測値である予測エネルギー需要を算出する。そして、運転計画器７は、運転計画期間の最初の時刻である翌日０時での燃料電池１１の起動状態もしくは停止状態を示す運転状態を運転計画初期運転状態として取得する。また、運転計画器７は、翌日０時での蓄熱器１２の蓄熱量を運転計画初期蓄熱量として取得する。そして、運転計画器７は、運転計画期間で取り得る運転パターンの起動時刻と停止時刻との組み合わせを、先の運転パターンの停止時刻よりも遅い時刻を次の停止時刻とした組み合わせとし、それぞれの運転パターンでの燃料電池１１の運転を想定した演算である運転シミュレーションを行った結果の一次エネルギーの使用量が最も少ない運転パターンである最適運転パターンを作成する。

取得器５は、温度センサ１３ａ〜１３ｃから蓄熱器１２の温度を取得する。また、取得器５は、電力負荷検出器２６から電力需要を、熱負荷検出器２７から熱需要を取得し、これらの値は計時器４で計測された時刻データと対応付けした状態で蓄熱履歴及び需要履歴として記憶器３に記憶される。

記憶器３は、データ等を記憶する不揮発性メモリ等である。記憶器３は、上記蓄熱履歴や需要履歴だけでなく、運転計画器７により予め設定されたコージェネレーションシステム１００の起動予定時刻及び停止予定時刻とを記憶する。また、記憶器３は、コージェネレーションシステム１００を制御するために必要な各閾値や発電指示データ３ａ等を記憶している。

計時器４は、カレンダー機能を有し、現在時刻を計測する機器である。
判定器２は、蓄熱器１２に蓄熱可能な容量である最大蓄熱量と蓄熱器１２に蓄熱された蓄熱量との差である判定蓄熱量を算定するとともに、判定蓄熱量が算定された時刻から燃料電池１１が停止する予定の停止時刻までの時間である判定時間を算定する。そして、判定器２は、判定蓄熱量の大きさ及び判定時間の大きさに応じて、燃料電池１１の出力について制限を行わない運転方法である通常運転、及び、燃料電池１１の出力が最大発電量よりも小さくなるよう出力を制限する運転方法である制限運転のいずれの運転方法を行うかを判定する。

具体的には、判定器２は、取得器５から温度センサ１３ａ〜１３ｃによる蓄熱器１２の温度を取得して、蓄熱器１２の蓄熱量を算出する。また、判定器２は、計時器４から現在時刻を、記憶器３から停止時刻としての停止予定時刻と各閾値とをそれぞれ取得する。そして、判定器２は、蓄熱器１２の蓄熱量と最大蓄熱量とから判定蓄熱量を算出し、現在時刻と停止時刻とから判定時間を算出する。

さらに、具体的には、判定器２は、通常運転を行っている場合において、判定蓄熱量が第５の閾値以下（蓄熱器１２の蓄熱量が、最大蓄熱量より小さい第１の閾値以上）で、判定時間が第２の閾値以上ある場合は、制限運転を行うと判定する。一方、通常運転を行っている場合において、判定蓄熱量が第５の閾値よりも大きい（蓄熱器１２の蓄熱量が第１の閾値未満）、もしくは、判定時間が第２の閾値未満の場合は、判定器２は通常運転を継続すると判定する。一方、制限運転を既に行っている場合において、判定蓄熱量が第６の閾値以上で、判定時間が第２の閾値よりも小さい第４の閾値以上である場合は、判定器２は、制限運転を継続すると判定する。一方、制限運転を行っている場合において、判定蓄熱量が第６の閾値未満、もしくは、判定時間が第４の閾値未満の場合は、判定器２は、通常運転を行うと判定する。また、判定器２は、通常運転を行うか制限運転を行うかの判定結果を示すフラグである貯湯完回避フラグを生成する。

なお、判定器２の判定蓄熱量や判定時間を用いた上記判定手法は、一例に過ぎず、蓄熱器１２の蓄熱量が最大蓄熱量に近づいて、蓄熱量が第１の閾値（または第３の閾値）以上であるときに、停止時刻までの残り時間がどの程度であるか（第２閾値［または第３の閾値］以上であるか否か）という状態を判定可能であればどのような手法であっても良い。従って、例えば、蓄熱器１２の蓄熱量が第１の閾値以上である状況を判定するために上記のように最大蓄熱量と蓄熱器１２の蓄熱量との差分が第５の閾値（これは、最大蓄熱量―第１の閾値に等しい）以上であるか否かでなく、直接的に蓄熱量が第１の閾値以上であるか否かを判定してもよい。また、停止時刻までの残り時間が第２の閾値以上であるか否かを判定するのに、上記手法を用いずに現在時刻が、停止時刻よりも第２の閾値だけ前の時刻よりも以前かどうかで判定しても構わない。

また、例えば、請求の範囲の「蓄熱器に蓄熱された蓄熱量が最大蓄熱量より小さい第１の閾値以上になったときに予め設定された停止時刻までの残り時間が第２の閾値以上である場合」の記載は、「蓄熱器に蓄熱された蓄熱量が最大蓄熱量より小さい第１の閾値以上になったときに予め設定された停止時刻までの残り時間が第２の閾値以上である」という状態を意味するもので、判定器２が、本状態を判定可能であれば、上記の通りその判定手法を限定するものではない。また、「蓄熱量が最大蓄熱量より小さい第１の閾値以上になったときに予め設定された停止時刻までの残り時間が第２の閾値未満である場合」、「蓄熱量が第３の閾値以上で、かつ予め設定された停止時刻までの残り時間が前記第２の閾値よりも小さい第４の閾値未満である場合」等の請求の範囲の記載についても同様である。

次に、発電量制御器１は、判定器２が判定した運転方法に従って、燃料電池１１の発電量を制御し、需要家に電力と熱とを供給するための制御命令を出力する。

具体的には、発電量制御器１は、需要家の電力負荷の電力需要と、運転計画器７が作成した最適運転パターンと、判定器２が生成した貯湯完回避フラグとを取得する。そして、発電量制御器１は、貯湯完回避フラグが通常運転を示すフラグである場合は、需要家の電力需要に追従した運転を行うための制御命令を燃料電池１１に出力する。また、発電量制御器１は、貯湯完回避フラグが制限運転を示すフラグである場合は、需要家の電力需要に応じて省エネルギー性を一定の低下幅に抑えるように考慮した蓄熱器１２の増加を抑える運転を行うための制御命令を燃料電池１１に出力する。

従って、発電量制御器１は、蓄熱器１２に蓄熱された蓄熱量が最大蓄熱量より小さい第１の閾値以上になったときに予め設定された停止時刻までの残り時間が第２の閾値以上である場合、燃料電池１１の出力が最大発電量よりも小さくなるよう出力を制限し、蓄熱量が最大蓄熱量より小さい第１の閾値以上になったときに予め設定された停止時刻までの残り時間が第２の閾値未満である場合、燃料電池１１の出力について制限を行わない。

また、発電量制御器１は、燃料電池１１の出力の制限中において、蓄熱量が第３の閾値以上で、かつ予め設定された停止時刻までの残り時間が第２の閾値よりも小さい第４の閾値未満である場合は、制限を解除する。さらに、発電量制御器１は、燃料電池１１の出力を制限中において、蓄熱量が第３の閾値未満である場合は、制限を解除する。

またここで、制限とは、制限を行っているときの燃料電池の最大出力が、制限を行わない場合の燃料電池１１の最大出力よりも小さくなるよう、少なくともその最大出力を制限することであり、制限された最大出力以下の範囲において、どのように出力を制御するかはシステム設計により様々であるが、本実施の形態のコージェネレーションシステムにおけるその一例について、以下に、詳しく説明する。

図２は、発電指示データ３ａの一例を示す図である。
発電指示データ３ａは、制限運転を行う場合の燃料電池１１の発電出力の指示値を示す情報の集まりである。この発電指示データ３ａは、非制限発電指示値、及び制限発電指示値などからなる。ここで、非制限発電指示値は、燃料電池１１が電力を供給する需要家の電力負荷の電力需要に基づき、所定の手法（例えば、移動平均法（特許文献：特開２００２−１９８０８０号公報））で決定された値である。また、制限発電指示値は、需要家の電力需要から当該所定の手法に基づき算出された非制限発電指示値の値が属する範囲に応じた燃料電池１１の発電出力の指示値である。なお、発電指示データ３ａは、予め作成され、記憶器３に予め記憶されている。

ここで、制限発電指示値について説明する。
図３は、制限発電指示値を説明するための図である。

同図は、発電出力と単位時間あたりの一次エネルギー削減量との関係を示すグラフである。つまり、横軸が燃料電池１１の発電出力であり、縦軸が単位時間あたりの燃料電池１１に供給される一次エネルギーの削減量である。

同図に示すように、燃料電池１１が定格出力で発電したときの運転が、一次エネルギー削減量が最も大きく、省エネルギー性がよい。また、燃料電池１１の発電出力が下がるほど、一次エネルギー削減量が小さくなり、省エネルギー性が低下する。

このため、制限運転による省エネルギー性の低下を一定の割合に抑えるために、定格出力で単位時間発電を行った場合の一次エネルギー削減量を１００として、そこから一定値（例えば１０％）一次エネルギー削減量が減少したときの発電出力Ｗ１以下の値を制限発電指示値ＷＬ１とする。つまり、需要家の電力需要に基づく非制限発電指示値が発電出力Ｗ１から定格負荷の間であれば、制限発電指示値は発電出力ＷＬ１となる。

また、同様に、発電出力Ｗ１で単位時間発電を行った場合の一次エネルギー削減量を１００として、そこから一定値（例えば１０％）一次エネルギー削減量が減少したときの発電出力Ｗ２以下の値を制限発電指示値ＷＬ２とする。つまり、需要家の電力需要に基づく非制限発電指示値が発電出力Ｗ２から発電出力Ｗ１の間であれば、制限発電指示値は発電出力ＷＬ２となる。このようにして、需要家の電力需要に応じた制限発電指示値が設定される。

以下、コージェネレーションシステム１００の動作の一例について説明する。
図４、図５及び図７は、本実施の形態におけるコージェネレーションシステム１００の動作の一例を示すフローチャートである。

コージェネレーションシステム１００が起動され、初期化等初期設定に必要な処理が終了した後に、単位時間毎に燃料電池１１の運転制御処理の開始指示が出される。

図４に示すように、まず、運転計画器７は、毎日決まった時刻に先２４時間分のコージェネレーションシステム１００の運転計画を作成するため、現在時刻が運転計画作成時刻（例えば０時）であるかどうか判断する（Ｓ１０２）。

運転計画器７は、現在時刻が運転計画作成時刻であると判断した場合（Ｓ１０２でＹＥＳ）、最適運転パターンを作成する（Ｓ１０４）。

具体的には、運転計画器７は、記憶器３から、１分毎に需要家の電力負荷の電力需要と熱負荷の熱需要とを取得し、電力需要と熱需要とを計測した時刻と関連付けて需要履歴として保持する。そして、運転計画器７は、現在時刻に保持している需要履歴から、電力需要と熱需要との予測値である予測エネルギー需要を算出する。また、運転計画器７は、現在時刻の燃料電池１１の起動状態もしくは停止状態を示す運転状態である運転計画初期運転状態、及び現在時刻の蓄熱器１２の蓄熱量である運転計画初期蓄熱量を取得する。そして、運転計画器７は、予測エネルギー需要と運転計画初期運転状態と運転計画初期蓄熱量とから、取り得る運転パターンについて運転シミュレーションを行って、最適な運転パターンを算出することで、最適運転パターンを作成する。

ここで、運転計画器７が最適運転パターンを作成する処理を以下に詳細に説明する。
運転計画器７は、１分毎に需要家の電力需要と熱需要とを取得して、それぞれを３０分単位で積算する。そして、運転計画器７は、積算された電力需要及び熱需要と、電力需要及び熱需要が計測された時刻とを関連付けて、７日前までの各日の電力需要及び熱需要の２４時間分を３０分単位に需要履歴として記憶する。これにより、運転計画器７は、記憶された需要履歴を用いて、将来の電力需要及び熱需要の予測を行う。

例えば、運転計画器７は、需要履歴の直近の負荷７日分から各時刻の電力需要及び熱需要を平均することによって、翌日の電力需要及び熱需要の予測値である２４時間先までの予測エネルギー需要を算出する。すなわち、０時０分から０時３０分までの電力需要の予測値は、過去７日間の０時０分から０時３０分までの計測された電力需要の平均値である。

次に、運転計画器７は、現在時刻の燃料電池１１の起動状態もしくは停止状態を示す運転状態を運転計画初期運転状態として取得し、試験運転パターンを算出する。

以下、燃料電池１１の運転パターンを、一般的に、一対の起動時刻と停止時刻とを用いて、［起動時刻、停止時刻］と表すものとする。また、１日のうちで２回以上の起動、停止がある運転パターンを、［１回目の起動時刻、１回目の停止時刻］，［２回目の起動時刻、２回目の停止時刻］などと表すものとする。また、運転をしない場合の運転パターンを［０時０分、０時０分］と表す。

運転計画器７は、運転計画を行う期間で取り得る運転パターンの中で運転状態の合計時間が短いものから先に、さらに、運転状態の合計時間が同一となる複数の運転パターンについては、それらの運転パターンの中で起動時刻が早いものから先に、試験運転パターンとして算出する。

例えば、最初に算出される試験運転パターンは、運転を行わない運転パターンである［０時０分、０時０分］であり、次に算出される試験運転パターンは、運転状態の合計時間が３０分である［０時０分、０時３０分］であり、その次に算出される試験運転パターンは［０時３０分、１時０分］である。

ただし、０時での運転計画初期運転状態が起動状態を示す値である場合は、試験運転パターンの起動時刻の１つとして０時０分を含むものとし、１回目の起動時刻が０時０分ではない［０時３０分、２４時０分］や［１時０分、２４時０分］などは、試験運転パターンとして算出されない。

運転計画器７は、試験運転パターンが算出されると、先に算出された予測エネルギー需要、運転計画初期運転状態、及び現在時刻の蓄熱器１２の蓄熱量である運転計画初期蓄熱量とから、運転シミュレーションを行う。

なお、この運転シミュレーションには、予め設定された燃料電池１１の燃料である天然ガスなどのガスの使用量に対する発電量を示す発電効率、蓄熱量を示す排熱回収効率、及び１分毎に発電量の変化可能な量を示す発電追従性などのハードウェア特性が用いられる。

次に、運転計画器７は、試験運転パターンにおける各時刻での発電量及び蓄熱量に基づく運転シミュレーションの結果、燃料電池１１が使用したガス使用量と、燃料電池１１による蓄熱では不足した熱を補うためガス会社から購入するガス使用量との総和である買ガス量を算出する。また、運転計画器７は、燃料電池１１の発電では不足した電力を補うため電力会社から購入する電力量である買電量を算出する。

さらに、運転計画器７は、予め設定されたガス及び電力の単位使用量当たりの一次エネルギー使用量を用いて、買ガス量と買電量とから運転シミュレーションで使用された一次エネルギー使用量を算出する。

運転計画器７は、すべての試験運転パターンにおける一次エネルギー使用量が算出されれば、最も一次エネルギー使用量が小さくなる試験運転パターンを最適運転パターンとして算出することで、最適運転パターンを作成する。

なお、運転計画器７は、運転計画作成時刻（例えば０時）だけでなく、蓄熱器１２の蓄熱量にあわせて一定の時間毎に最適運転パターンを作成し直すことにしてもよい。

運転計画器７は、現在時刻が運転計画作成時刻でないと判断した場合（Ｓ１０２でＮＯ）、５分毎に蓄熱器１２の蓄熱量の比較を行うために、現在時刻の分の部分が５の倍数かどうかを判断する（Ｓ１０６）。

ここでは、後述する蓄熱器１２の蓄熱量と最大蓄熱量との差である判定蓄熱量を所定の値と比較する際の判断の誤差を１０％程度に抑えるために、判定蓄熱量と比較する所定の値の約１０％の熱量を定格運転で蓄熱するのに要する時間であり、６０分の約数である５分という値を用いている。なお、正確性を重視するために１分などの小さい値にしてもよいし、常に定格運転を行うなど誤差要因が少ない場合は、１０分などの大きい値にしてもよい。また、蓄熱量の代わりに蓄熱器１２の温度センサ１３ａ〜１３ｃを用いて、蓄熱器１２の温度センサ１３ａ〜１３ｃが所定の温度になったかどうかを判断することにしてもよい。

運転計画器７が現在時刻の分の部分が５の倍数であると判断した場合（Ｓ１０６でＹＥＳ）、判定器２は、貯湯完回避フラグを生成する（Ｓ１０８）。判定器２が貯湯完回避フラグを生成する処理の詳細については、後述する。

運転計画器７が最適運転パターンを作成した場合（Ｓ１０４）、判定器２が貯湯完回避フラグを生成した場合（Ｓ１０８）、又は、運転計画器７が現在時刻の分の部分が５の倍数でないと判断した場合（Ｓ１０６でＮＯ）、発電量制御器１は制御命令を行う（Ｓ１１０）。発電量制御器１が制御命令を行う処理の詳細については、後述する。

次に、判定器２が貯湯完回避フラグを生成する処理（図６のＳ１０８）の詳細を説明する。

図７は、判定器２が貯湯完回避フラグを生成する処理（図６のＳ１０８）の詳細を示すフローチャートである。

まず、判定器２は、現在時刻における燃料電池１１の運転状況が起動中か否かを判断する（Ｓ２０２）。

具体的には、判定器２は、現在時刻における燃料電池１１の起動状態もしくは停止状態を示す運転状態を取得する。そして、判定器２は、取得された燃料電池１１の運転状態から、燃料電池１１が起動中か停止中かを判断する。

次に、判定器２が、現在時刻における燃料電池１１の運転状態が起動中であると判断した場合（Ｓ２０２でＹＥＳ）、判定器２は、判定蓄熱量と判定時間とを算定する（Ｓ２０３）。

具体的には、判定器２は、現在時刻の蓄熱器１２の蓄熱量と蓄熱器１２に蓄熱可能な最大蓄熱量とを取得する。そして、判定器２は、取得した最大蓄熱量から蓄熱量を減じた値を判定蓄熱量として算出することで、判定蓄熱量を取得する。

また、判定器２は、記憶器３から停止時刻を取得し、現在時刻から停止時刻までの時間を判定時間として算出することで、判断時間を取得する。ここで、停止時刻は、燃料電池１１が停止する予定の時刻である。

次に、判定器２は、現在設定されている貯湯完回避フラグがＯＮかＯＦＦかを判断する（Ｓ２０４）。ここで貯湯完回避フラグは、初期化処理において初期状態はＯＦＦに設定されているものとする。

ここで、貯湯完回避フラグは、通常運転を行うか制限運転を行うかの判定結果を示すフラグである。具体的には、判定器２が通常運転を行うと判定した場合は、貯湯完回避フラグがＯＦＦに設定され、判定器２が制限運転を行うと判定した場合は、貯湯完回避フラグがＯＮに設定される。また、通常運転は、需要家の電力負荷の電力需要に応じた発電出力である通常出力を燃料電池１１が発電する運転方法である。そして、制限運転は、通常出力が予め定められた範囲内にある場合、当該範囲の下限値以下の発電出力である制限出力を燃料電池１１が発電する運転方法である。当該範囲は、燃料電池１１が発電するために燃料電池１１に供給される一次エネルギーの削減量に基づいて定められる。具体的には、図２の左欄に示されるような制限運転をしない場合の非制限発電指示値の範囲として規定される。

判定器２は、現在の貯湯完回避フラグがＯＦＦに設定されていると判断した場合は（Ｓ２０４でＹＥＳ）、判定蓄熱量が予め定められた第５の閾値以下か否かを判断する（Ｓ２０６）。

ここで、第５の閾値は、請求の範囲に記載の「蓄熱器１２の蓄熱量が第１の閾値以上である」という状態であるか否かを判定するための判定蓄熱量の値である。具体的には、第５の閾値は、現在の蓄熱器１２の蓄熱量と最大蓄熱量の熱量差により燃料電池１１の発電量の制御を変えるか否かを判断するための境界値であり、予め定められた値である。この第５の閾値の値が大きすぎると、貯湯完回避フラグが早めにＯＮになり、蓄熱器１２の蓄熱量増加を抑えるための省エネルギー性のよくない制限運転が長く続くことになる。また、第５の閾値の値が小さすぎると、蓄熱量の増加を抑えるための制限運転の効果を得る期間が少なくなり、蓄熱器１２の蓄熱量の増加に伴う燃料電池１１の運転停止を回避できない可能性が高くなる。従って、上記第５の閾値は、制限運転による省エネルギーの低下を抑制しつつ蓄熱器が最大蓄熱量になることを回避可能な値として適宜設定される。

例えば、第５の閾値は、蓄熱量が最大蓄熱量になることによるシステムの運転停止の回避のために最も安全側になるよう、運転計画器７が予測エネルギー需要を算出する際の単位時間（ここでは３０分）の間に、各熱負荷の熱需要が全く発生せず、燃料電池１１が定格運転を行うことによって蓄熱器１２に蓄熱される熱量とすることが好ましい。つまり、各熱負荷の熱需要の予測値が実際に発生する熱需要の値と同じであったとしても、実際には、３０分間の最初の１分間に全ての熱負荷の熱需要が発生する場合や、単位時間内には熱需要が全く発生せず３０分後の１分間に全ての熱負荷の熱需要が発生する場合、３０分間において離散的に熱負荷の熱需要が発生する場合等が想定され、任意の時刻における蓄熱量を予測することは困難であるため、第５の閾値は、上述のように当該単位時間に蓄熱可能な最大蓄熱量とする。なお、誤差を考慮して、第５の閾値は余裕をもたせた値にすることも可能である。

判定器２は、判定蓄熱量が第５の閾値以下であると判断した場合（Ｓ２０６でＹＥＳ）、判断時間が予め定められた第２の閾値以上であるか否かを判断する（Ｓ２０８）。

ここで、第２の閾値について、以下に詳細に説明する。
蓄熱器１２の蓄熱量が最大蓄熱量に近くなる要因として、予測より多く電力が使われたり、予測より熱需要の発生が遅れたりすることにより、蓄熱器１２の蓄熱量が運転計画作成時のシミュレーションと異なった状態になっている場合や、この後に大きな熱負荷があると予測されている場合がある。

最適運転パターンの作成は、予測エネルギー需要を用いて行っているため、電力や給湯の使用量の多い時間が、最適運転パターンでの燃料電池１１の起動時刻と停止時刻との間に含まれる可能性が高い。

すなわち、現時点においては、蓄熱器１２の蓄熱量が最大蓄熱量に近づいていても、最適運転パターンでの燃料電池１１の停止時刻までの時間が長ければ、制限運転をし最大蓄熱量になるまでの時間を延長することで、相当量の熱負荷が発生して、蓄熱余力が向上し、最大蓄熱量になるまでの時間延長効果がさらに得られる可能性が高い。一方、燃料電池１１の停止時刻までの時間が短ければ制限運転をして最大蓄熱量になる時間を延長を図っても、すぐに停止時刻を迎えて停止してしまい制限運転によるエネルギー効率の低下による影響で却って省エネルギー性が低下してしまう可能性がある。

このため、第２の閾値は、燃料電池１１の制限運転を実行しても、制限運転によるエネルギー効率の低下よりも、蓄熱量が最大蓄熱量になるまでの時間延長効果による省エネルギー効果の方が優位になる現時点から停止時刻までの残り時間として設定される。

なお、第２の閾値は、上記のような蓄熱器の蓄熱量が最大蓄熱量になる時間を延長することによる省エネルギー効果を考慮して設定されるだけでなく、次のような因子も考慮して設定しても構わない。具体的には、上記制限運転を実行しても、実際の熱需要が予測と異なりあまり発生せず、蓄熱器１２の蓄熱量が最大蓄熱量になって燃料電池１１が停止した場合、その後の熱需要の発生により蓄熱器の蓄熱余力が回復し、かつ電力需要が発生した場合に、停止時刻前であれば再度燃料電池１１が起動する場合がある。このような場合においても、燃料電池１１が起動した後、停止時刻を直ぐに迎えて起動エネルギーを無駄にする可能性が低減するよう再起動した場合の起動エネルギーが、起動後の燃料電池１１の発電運転により生じる省エネルギー量により賄えることも考慮して第２の閾値を設定しても構わない。

つまり、最も省エネルギー性の高い運転が燃料電池１１を再起動せずに運転することであるため、蓄熱器１２の蓄熱量が最大蓄熱量になって停止時刻より早い時間に止まった後に燃料電池１１が再起動することを避けるために、停止時刻よりも第２の閾値手前の時刻までは多少省エネルギー性が悪くなっても蓄熱器１２の蓄熱量増加を抑えるための制限運転を続けるようにする。そして、停止時刻よりも第２の閾値手前の時刻以降に蓄熱器１２の蓄熱量と最大蓄熱量の差が第５の閾値以下になった場合は、燃料電池１１を再起動しても燃料電池１１の起動エネルギー分の回収ができないため、燃料電池１１の再起動はすべきではない。また、この時刻以降に熱負荷が発生しても燃料電池１１が停止時刻に停止するのが最適であると計画されていることから、蓄熱量の増加を抑えるための省エネルギー性のよくない制限運転を行うより、省エネルギー性のよい通常運転を行って、最適運転パターンでの停止時刻より若干早くに蓄熱器１２の蓄熱量が最大蓄熱量に達して、燃料電池１１が停止することにしてもよい。

なお、第２の閾値は、予測と実測における熱負荷のピークとなる時間のずれを調べて、予測の特性を考慮して設定することも可能である。

判定器２は、判定時間が第２の閾値以上であると判断した場合（Ｓ２０８でＹＥＳ）、制限運転を行うと判定し、ＯＮの貯湯完回避フラグを生成する（Ｓ２１０）。つまり、貯湯完回避フラグはＯＮに設定される。

また、判定器２は、判定時間が第２の閾値以上でないと判断した場合（Ｓ２０８でＮＯ）、通常運転を行うと判定し、ＯＦＦの貯湯完回避フラグを生成する（Ｓ２１２）。つまり、貯湯完回避フラグはＯＦＦに設定される。

判定器２は、判定蓄熱量が第５の閾値以下でないと判断した場合（Ｓ２０６でＮＯ）、通常運転を行うと判定し、ＯＦＦの貯湯完回避フラグを生成する（Ｓ２１２）。つまり、貯湯完回避フラグはＯＦＦに設定される。蓄熱器１２への蓄熱は十分可能な状態であり、通常運転を行うためである。

判定器２は、現在の貯湯完回避フラグがＯＮに設定されていると判断した場合は（Ｓ２０４でＮＯ）、判定蓄熱量が予め定められた第６の閾値以下か否かを判断する（Ｓ２１４）。

ここで第６の閾値は、請求の範囲に記載の「蓄熱器１２の蓄熱量が第３の閾値以上である」という状態か否かを判定するための判定蓄熱量の値である。また、第６の閾値は、蓄熱器１２の蓄熱量増加を抑えるための制限運転を続けるか通常運転に戻すかの判断をする閾値であり、ここでは、第６の閾値は第５の閾値と同じ値であることとする。

判定器２は、判定蓄熱量が第６の閾値以下であると判断した場合（Ｓ２１４でＹＥＳ）、判定時間が予め定められた第４の閾値以上であるか否かを判断する（Ｓ２１６）。

ここで、第４の閾値は、制限運転を継続して蓄熱器１２が最大蓄熱量になる時間延長による省エネルギー性の向上を図ろうとしても停止時刻までの残り時間が短いために、制限運転を継続するよりも制限運転を解除して、制限運転によるエネルギー効率の低下を解消する方が、省エネルギー性が向上すると判断される時間である。なお、第４の閾値は第２の閾値よりも小さい値となる。

判定器２は、判定時間が第４の閾値以上であると判断した場合は（Ｓ２１６でＹＥＳ）、蓄熱器１２の蓄熱量増加を抑えるための制限運転を引き続き行うよう、貯湯完回避フラグをＯＮに設定したままとする（Ｓ２１８）。

また、判定器２は、判定時間が第４の閾値以上ではないと判断した場合は（Ｓ２１６でＮＯ）、通常運転を行うと判定し、ＯＦＦの貯湯完回避フラグを生成する（Ｓ２２０）。つまり、貯湯完回避フラグはＯＦＦに設定される。

また、判定器２は、判定蓄熱量が第６の閾値以下でないと判断した場合（Ｓ２１４でＮＯ）、通常運転を行うと判定し、ＯＦＦの貯湯完回避フラグを生成する（Ｓ２２０）。つまり、貯湯完回避フラグはＯＦＦに設定される。蓄熱器１２への蓄熱は十分可能な状態であり、通常運転を行うためである。

また、判定器２は、現在時刻における燃料電池１１の運転状態が停止中であると判断した場合（Ｓ２０２でＮＯ）、ＯＦＦの貯湯完回避フラグを生成することで、貯湯完回避フラグはＯＦＦに設定される（Ｓ２２２）。

このようにして、判定器２は、通常運転及び制限運転のいずれの運転方法を行うかを判定する。そして、判定器２は、図５に示したフローチャートに従い、時間の経過とともにこのような運転方法の判定を繰り返し行っていく。

ここで、判定器２が、時間の経過とともに繰り返し通常運転及び制限運転のいずれの運転方法を行うかを判定していく一例を、以下に具体的に説明する。

図６は、判定器２が、時間の経過とともに繰り返し運転方法の判定を行っていく一例を説明する図である。

まず、判定器２は、判定蓄熱量が第５の閾値よりも大きいと判断した場合（図５のＳ２０６でＮＯ）、通常運転（Ａ）を行うと判定する（図５のＳ２１２）。

次に、判定器２は、判定蓄熱量が予め定められた第５の閾値以下になったときの判定時間が、予め定められた第２の閾値以上であれば制限運転を行うと判定する。つまり、判定器２は、通常運転（Ａ）の状態で時間が経過して、判定蓄熱量が第５の閾値以下になったと判断し（図５のＳ２０６でＹＥＳ）、かつ、判定時間が第２の閾値以上であると判断した場合は（図５のＳ２０８でＹＥＳ）、制限運転（Ｂ）を行うと判定する（図５のＳ２１０）。

また、判定器２は、判定蓄熱量が予め定められた第５の閾値以下になったときの判定時間が、予め定められた第２の閾値よりも小さければ通常運転を行うと判定する。つまり、判定器２は、通常運転（Ａ）の状態で時間が経過して、判定蓄熱量が第５の閾値以下になったと判断しても（図５のＳ２０６でＹＥＳ）、判定時間が第２の閾値未満になった場合は（図５のＳ２０８でＮＯ）、通常運転（Ｃ）を継続して行うと判定する（図５のＳ２１２）。

次に、判定器２は、さらに、制限運転を行うと判定した後に取得された判定蓄熱量が予め定められた第６の閾値よりも大きければ通常運転を行うと判定する。つまり、判定器２は、制限運転（Ｂ）の状態で時間が経過して、判定蓄熱量が第６の閾値よりも大きくなったと判断した場合は（図５のＳ２１４でＮＯ）、通常運転（Ｄ）を行うと判定する（図５のＳ２２０）。

また、判定器２は、さらに、制限運転を行うと判定した後に取得された判定蓄熱量が予め定められた第６の閾値以下になったときの判定時間が、予め定められた第２の閾値よりも小さい第４の閾値より小さければ通常運転を行うと判定する。つまり、判定器２は、制限運転（Ｂ）の状態で時間が経過して、判定蓄熱量が第６の閾値以下になったと判断し（図５のＳ２１４でＹＥＳ）、かつ、判定時間が第４の閾値未満になった場合（図５のＳ２１６でＮＯ）、通常運転（Ｅ）を行うと判定する（図５のＳ２２０）。

次に、発電量制御器１が制御命令を行う処理（図４のＳ１１０）の詳細を説明する。
図７は、発電量制御器１が制御命令を行う処理（図４のＳ１１０）の詳細を示すフローチャートである。

まず、発電量制御器１は、需要家の電力負荷の電力需要と、運転計画器７が作成した最適運転パターンと、判定器２が生成した貯湯完回避判定フラグとを取得する。そして、発電量制御器１は、最適運転パターンでの起動時刻から停止時刻までの時間帯である燃料電池１１の起動時間帯に、現在時刻が含まれるか否かを判断する（Ｓ３０２）。

発電量制御器１は、現在時刻が燃料電池１１の起動時間帯に含まれると判断した場合（Ｓ３０２でＹＥＳ）、貯湯完回避フラグがＯＦＦに設定されているか否かを判断する（Ｓ３０４）。

発電量制御器１は、貯湯完回避フラグがＯＦＦに設定されていると判断した場合は（Ｓ３０４でＹＥＳ）、制限運転でない通常運転を行い、需要家の電力負荷の電力需要に応じて定められた非制限発電指示値データから適切な発電指示値を取得する（Ｓ３０６）。

ここで取得される発電指示値は、燃料電池１１に制御命令を出力することにより、燃料電池１１が現在需要家に使用されている電力需要に応じた発電出力を発電するためのものである。

発電量制御器１は、貯湯完回避フラグがＯＮに設定されていると判断した場合は（Ｓ３０４でＮＯ）、制限運転を行うように、電力負荷の電力需要をもとに図４に示された発電指示データ３ａである制限発電指示値データから適切な発電指示値を取得する（Ｓ３０８）。

これにより、直前の電力負荷を発電指示値とする電力負荷追従運転の場合に比べて、省エネルギー性の低下が限定され、かつ、蓄熱器１２の蓄熱量増加を抑えた制限運転を行うための発電指示値を取得することができる。

そして、発電量制御器１は、制御命令として、起動指示と発電指示値とを燃料電池１１に出力する（Ｓ３１０）。

また、発電量制御器１は、現在時刻が燃料電池１１の起動時間帯に含まれないと判断した場合（Ｓ３０２でＮＯ）、制御命令として、停止指示を燃料電池１１に出力する（Ｓ３１２）。

以下、本実施の形態における効果について説明する。
本実施の形態では、１日の決まった時刻（例えば０時）に運転計画器７が作成した省エネルギー性の最も優れた最適運転パターンと、所定の時間毎に判定器２が生成した貯湯完回避フラグに従って、発電量制御器１が燃料電池１１への制御命令を出力する。

判定器２は、最適運転パターンでの起動時刻と停止時刻との間で燃料電池１１が起動中か否かと、判定蓄熱量と、判定時間とから、省エネルギー性を重視した通常運転を行うか、蓄熱器１２の蓄熱量増加を抑えるための制限運転を行うかを判定する。

これらの処理により、判定器２は、蓄熱器１２の蓄熱量が最大蓄熱量に達して燃料電池１１が停止することによって余分な再起動エネルギーが必要となることを防ぎ、最適運転パターンの省エネルギー性からの損失を少なくする運転方法を簡単に判定することができる。また、蓄熱器１２の蓄熱量が最大蓄熱量に近づいた場合に、停止時刻までの時間が短い場合には、発電出力の制限を行わずに燃料電池１１の運転を継続させることで、従来よりも省エネルギー性が向上する可能性を高めることができる。

例えば、０時に作成された最適運転パターンの起動時刻と停止時刻が［１０時０分、２４時０分］（２４時は、翌日の０時まで起動を続けることを示す）であったとする。１０時０分に燃料電池１１が起動した後、電力負荷追従運転が行われ、５分毎に蓄熱器１２の蓄熱量のチェックが行われる。例えば、１５時５分に判定蓄熱量が第５の閾値以下になった場合、判定時間である８時間５５分が第２の閾値以上であれば、貯湯完回避フラグがＯＮに設定され、蓄熱器１２の蓄熱量増加を抑えるための制限運転が行われる。その後、制限運転が続けられ、１８時２０分に熱負荷が発生して判定蓄熱量が第６の閾値よりも大きくなった場合、貯湯完回避フラグがＯＦＦに設定され、通常運転である電力負荷追従運転が行われる。

ここで、制限運転が行われなければ、１８時２０分にお湯が使われるまでに蓄熱器１２の蓄熱量が最大蓄熱量となって燃料電池１１が停止し、その後、夜に発生するであろう照明、ＴＶ等の電力負荷の電力需要及び風呂などの熱負荷の熱需要のために燃料電池１１の再起動が行われる可能性が高い。この再起動には、大きな起動エネルギーが必要となるため、熱負荷の発生を見越して、制限運転によって運転を継続する方が、省エネルギー性の高い運転となる。

また、０時に作成された最適運転パターンの起動時刻と停止時刻が［４時０分、１０時３０分］、［１５時０分、２３時３０分］であったとする。４時０分に燃料電池１１が起動した後、電力負荷追従運転が行われ、５分毎に蓄熱器１２の蓄熱量のチェックが行われる。例えば、８時２０分に判定蓄熱量が第５の閾値以下になった場合に、判定時間である２時間１０分が第２の閾値未満であった場合、貯湯完回避フラグはＯＮに設定されず、通常運転である電力負荷追従運転が行われる。どれだけ予測エネルギー需要が実際の使われ方に近い値に予測されているかにもよるが、省エネルギー性のよくない制限運転を行って１０時３０分まで運転するより、通常運転である電力負荷追従運転を行って予測通りに熱負荷が発生すれば、１０時３０分に停止時刻で停止し、予測通りには熱負荷が発生しなければ停止時刻より前（例えば１０時）に蓄熱器１２の蓄熱量が最大蓄熱量となって停止する運転の方が省エネルギー性の高い運転となる可能性が高い。

また、１５時０分に燃料電池１１が起動した後、電力負荷追従運転が行われ、５分毎に蓄熱器１２の蓄熱量のチェックが行われる。例えば、１８時３０分に判定蓄熱量が第５の閾値以下になった場合に、判定時間である５時間０分が第２の閾値以上であった場合、貯湯完回避フラグはＯＮに設定され、制限運転が行われる。

その後、２１時３０分まで制限運転が続けられ、熱負荷が発生せずに判定蓄熱量が第５の閾値以下で、判定時間である２時間０分が第４の閾値未満となった場合、貯湯完回避フラグがＯＦＦに設定され、制限運転から通常運転である電力負荷追従運転に切り替えられる。燃料電池１１は、通常運転が行われて熱負荷が発生すれば、１０時３０分に停止時刻で停止し、熱負荷が発生しなければ停止時刻より前（例えば１０時）に蓄熱器１２の蓄熱量が最大蓄熱量となって停止する。どれだけ予測エネルギー需要が実際の使われ方に近い値に予測されているかにもよるが、省エネルギー性のよくない制限運転で１０時３０分まで運転が行われるよりも、省エネルギー性の高い運転となる可能性がある。

以上、本発明に係るコージェネレーションシステム１００について、上記実施の形態を用いて説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。

つまり、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

例えば、本実施の形態では、コージェネレーションシステム１００は、発電機として燃料電池１１を備えていることとしたが、コージェネレーションシステム１００は、ガスエンジン、ディーゼルエンジン、又はガスタービンなどの原動機によって駆動される発電機を備えていてもよい。

また、本実施の形態では、発電量制御器１は、単位時間あたりの燃料電池１１に供給される一次エネルギーの削減量から設定される制限発電指示値に基づいて、制限運転の制御を行うこととした。しかし、発電量制御器１は、単位時間あたりの蓄熱器１２に蓄熱される蓄熱量の増加量から設定される制限発電指示値に基づいて、制限運転の制御を行うことにしてもよい。

また、本実施の形態では、第１の閾値、第２の閾値、第３の閾値、第４の閾値、第５の閾値、及び第６の閾値は、予め定められた所定の値であることとした。しかし、第１の閾値、第２の閾値、第３の閾値、第４の閾値、第５の閾値、及び第６の閾値は、種々の負荷データでシミュレーションを行って省エネルギー性が最も大きくなる熱量差や、時間として求めることも可能である。

また、本実施の形態では、通常運転は電力負荷追従運転であることとしたが、通常運転は、燃料電池１１が定格出力で発電する定格運転としてもよい。その場合は、第１の閾値、第２の閾値、第３の閾値、第４の閾値、第５の閾値、及び第６の閾値を運転方法にあわせた設定値にして用いることが望ましい。

本発明は、コージェネレーションシステムに適用でき、特に、蓄熱量が最大蓄熱量に近づいている場合に、従来のシステムよりもより適切に発電機の発電出力が制御され、省エネルギー性の向上を図ることができるコージェネレーションシステムに適用できる。

本発明の実施の形態に係るコージェネレーションシステムの概略構成を示す模式図である。 発電指示データの一例を示す図である。 制限発電指示値を説明するための図である。 本実施の形態におけるコージェネレーションシステムの動作の一例を示すフローチャートである。 本実施の形態におけるコージェネレーションシステムの動作の一例を示すフローチャートである。 判定器が時間の経過とともに繰り返し運転方法の判定を行っていく一例を説明する図である。 本実施の形態におけるコージェネレーションシステムの動作の一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 発電量制御器
２ 判定器
３ 記憶器
３ａ 発電指示データ
４ 計時器
５ 取得器
６ 操作器
７ 運転計画器
１０ 運転制御装置
１１ 燃料電池
１２ 蓄熱器
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ 温度センサ
１７ 熱交換器
２６ 電力負荷検出器
２７ 熱負荷検出器
１００ コージェネレーションシステム

Claims (10)

1. 発電機と、
   前記発電機から回収した熱を貯える蓄熱器と、
   発電機の発電量を制御する発電量制御器と、を備え、
   前記発電量制御器は、
   前記蓄熱器に蓄熱された蓄熱量が最大蓄熱量より小さい第１の閾値以上になったときに予め設定された停止時刻までの残り時間が第２の閾値以上である場合、前記発電機の出力が最大発電量よりも小さくなるよう前記出力を制限し、
   前記蓄熱量が前記最大蓄熱量より小さい第１の閾値以上になったときに予め設定された停止時刻までの残り時間が第２の閾値未満である場合、前記発電機の出力について前記制限を行わない、コージェネレーションシステム。
2. 前記発電量制御器は、前記発電機の出力の前記制限中において、前記蓄熱量が第３の閾値以上で、かつ予め設定された停止時刻までの残り時間が前記第２の閾値よりも小さい第４の閾値未満である場合は、前記制限を解除する
   請求項１に記載のコージェネレーションシステム。
3. 前記発電量制御器は、前記発電機の出力を前記制限中において、前記蓄熱量が第３の閾値未満である場合は、前記制限を解除する
   請求項１に記載のコージェネレーションシステム。
4. 前記制限とは、前記制限を行わない場合の前記発電機の出力を、この出力が属する予め設定された範囲の下限値以下である所定出力に制限することである
   請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のコージェネレーションシステム。
5. 前記範囲は、前記発電機が発電するために前記発電機に供給される一次エネルギーの削減量に基づいて定められる
   請求項４に記載のコージェネレーションシステム。
6. 電力需要量及び／または熱需要量の過去の履歴に基づいて少なくとも前記発電機の停止予定時刻を設定する運転計画器を備え、
   前記停止時刻は、前記運転計画器により設定された停止予定時刻である、
   請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のコージェネレーションシステム。
7. 使用者の操作により少なくとも停止予定時刻を設定する操作器を備え、
   前記停止時刻は、前記操作器により設定された停止予定時刻である、
   請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のコージェネレーションシステム。
8. 発電機と、前記発電機から回収した熱を貯える蓄熱器とを備えるコージェネレーションシステムの運転を制御する運転制御装置であって、
   前記蓄熱器に蓄熱された蓄熱量が最大蓄熱量より小さい第１の閾値以上になったときに予め設定された停止時刻までの残り時間が第２の閾値以上である場合、前記発電機の出力が最大発電量よりも小さくなるよう前記出力を制限し、
   前記蓄熱量が前記最大蓄熱量より小さい第１の閾値以上になったときに予め設定された停止時刻までの残り時間が第２の閾値未満である場合、前記発電機の出力について前記制限を行わない、発電量制御器を備える運転制御装置。
9. 発電機と、前記発電機から回収した熱を貯える蓄熱器とを備えるコージェネレーションシステムの運転方法であって、
   前記蓄熱器に蓄熱された蓄熱量が最大蓄熱量より小さい第１の閾値以上になったときに予め設定された停止時刻までの残り時間が第２の閾値以上である場合、前記発電機の出力が最大発電量よりも小さくなるよう前記出力を制限し、
   前記蓄熱量が前記最大蓄熱量より小さい第１の閾値以上になったときに予め設定された停止時刻までの残り時間が第２の閾値未満である場合、前記発電機の出力について前記制限を行わない、
   コージェネレーションシステムの運転方法。
10. 発電機で電力を発電するとともに前記発電機から発生する熱を蓄熱器に蓄熱し、前記発電された電力と前記蓄熱された熱とを需要家に供給するコージェネレーションシステムの運転を制御するためのプログラムであって、
    前記蓄熱器に蓄熱された蓄熱量が最大蓄熱量より小さい第１の閾値以上になったときに予め設定された停止時刻までの残り時間が第２の閾値以上である場合、前記発電機の出力が最大発電量よりも小さくなるよう前記出力を制限し、
    前記蓄熱量が前記最大蓄熱量より小さい第１の閾値以上になったときに予め設定された停止時刻までの残り時間が第２の閾値未満である場合、前記発電機の出力について前記制限を行わない、発電量制御ステップ
    をコンピュータに実行させるプログラム。

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