JP5478981B2 - Power generation system and auxiliary unit of power generation system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池を通じて電気エネルギーおよび熱エネルギーを発生させる発電システムおよび発電システムの補助ユニットに関する。 The present invention relates to a power generation system that generates electric energy and thermal energy through a fuel cell, and an auxiliary unit of the power generation system.
燃料電池は、水素と酸素との化学反応を通じて電気エネルギーおよび熱エネルギーを生成する発電装置である。通常、化学エネルギーから電気エネルギーを取り出すためには、その途中で熱エネルギー(水蒸気)および運動エネルギー(タービン)といったエネルギー変換を経由するため、エネルギー損失が大きくなる。これに対し、当該燃料電池では化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するため発電効率を高めることができる。また、二酸化炭素(CO2)や窒素酸化物(NOx)、硫黄酸化物(SOx)、粒子状物質(PM)等の大気汚染物質をほとんど排出しないので、温室効果ガスの削減効果が大きいクリーンな電気エネルギー生成装置として既存の発電機との置き換えが期待されている。 A fuel cell is a power generator that generates electrical energy and thermal energy through a chemical reaction between hydrogen and oxygen. Usually, in order to extract electric energy from chemical energy, energy loss increases because it passes through energy conversion such as thermal energy (water vapor) and kinetic energy (turbine). On the other hand, since the fuel cell directly converts chemical energy into electric energy, power generation efficiency can be increased. Also, it emits almost no air pollutants such as carbon dioxide (CO 2 ), nitrogen oxide (NOx), sulfur oxide (SOx), and particulate matter (PM). It is expected to replace the existing generator as an electrical energy generator.
また、燃料電池で発生した電気エネルギーを電気機器に供給すると共に、発電時に生じた熱エネルギーとの熱交換により温められた湯水を貯湯槽に蓄えておき、蓄えた湯水をシャワー給湯等に利用するコ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)。 In addition to supplying the electrical energy generated by the fuel cell to the electrical equipment, hot water heated by heat exchange with the thermal energy generated during power generation is stored in a hot water storage tank, and the stored hot water is used for shower hot water etc. A cogeneration system is known (for example, Patent Document 1).
燃料電池を利用したコジェネレーションシステムでは、発電による環境負荷を低く抑えることができると共に、発電時に生じた熱エネルギーを給湯に活用するといった利用者への経済的な効果も重要視されている。このため、温めた湯水を貯める貯湯槽には保温性の高い容器が用いられ、また、湯水が高温になり熱回収を十分に行えない状況では発電動作を停止するように制御される。発生した熱エネルギーをそのまま放置しておくことは安全面でも問題が生じ得るため、上記の仕組みは、経済性と共に安全性にも配慮したものである。 In a cogeneration system using a fuel cell, the environmental impact caused by power generation can be kept low, and the economic effect on users, such as utilizing the thermal energy generated during power generation for hot water supply, is also regarded as important. For this reason, a highly heat-retaining container is used for the hot water storage tank for storing warm hot water, and the power generation operation is controlled to stop in a situation where the hot water becomes hot and sufficient heat recovery cannot be performed. Since leaving the generated thermal energy as it is may cause problems in terms of safety, the above mechanism considers safety as well as economy.
上述したように、従来のコジェネレーションシステムでは、貯湯槽の水温が所定の貯湯上限値まで上昇すると、発電を停止するように構成されている。従って、貯湯槽の水温が貯湯上限値に達した後は、貯湯槽の湯水が給湯に利用され、新たに低温の水道水が加えられたことで水温が低下した時にのみ一時的に発電が実行されていた。 As described above, the conventional cogeneration system is configured to stop power generation when the water temperature in the hot water storage tank rises to a predetermined hot water storage upper limit value. Therefore, once the water temperature in the hot water tank reaches the upper limit of hot water storage, the hot water in the hot water tank is used for hot water supply, and power generation is only performed temporarily when the water temperature drops due to the addition of low-temperature tap water. It had been.
しかし、地震などの災害発生時には、長時間の「停電」が生じるおそれがある。また、災害時においては「断水」と「停電」が同時に起きることも十分に考えられる。従って、停電発生時でも最低限必要な電子機器に対しては燃料電池の発電により電源供給することが望まれる。しかし、上述した技術では、貯湯槽の水温が高くなってしまうと発電が停止されてしまうため、継続した電源供給を行うことができなかった。 However, when a disaster such as an earthquake occurs, a long-term “power outage” may occur. In addition, it is fully possible that a “water outage” and a “power outage” will occur at the same time during a disaster. Therefore, it is desirable to supply power by power generation of the fuel cell to the minimum necessary electronic devices even when a power failure occurs. However, in the above-described technique, power generation is stopped when the water temperature of the hot water storage tank becomes high, so that it is not possible to perform continuous power supply.
本発明は、このような課題に鑑み、停電等の非常時に継続的に発電を遂行し、ユーザの利便性向上と安全の確保を図ることが可能な発電システムおよび発電システムの補助ユニットを提供することを目的としている。 In view of such a problem, the present invention provides a power generation system and an auxiliary unit of the power generation system that can continuously generate power in an emergency such as a power outage, and can improve user convenience and ensure safety. The purpose is that.
上記課題を解決するために、発電ユニットと、発電ユニットに接続される補助ユニットと、を含む本発明の発電システムは、発電ユニットが、湯水を貯湯および保温する貯湯槽と、化学反応を通じて電気エネルギーおよび熱エネルギーを生成する燃料電池と、貯湯槽の湯水との熱交換によって生成された熱エネルギーを回収する熱交換器と、貯湯槽の湯水が所定温度未満のときに燃料電池を駆動する発電制御部と、を備え、補助ユニットは、貯湯槽の湯水を循環させて放熱する循環流路と、循環流路における放熱効率に影響を及ぼす環境情報を取得する環境取得部と、循環流路への湯水の循環と循環停止とを繰り返す間欠循環を行うとともに、取得した環境情報に基づき循環および前記循環停止の時間配分である間欠循環の周期を設定する補助制御部と、を備えることを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, a power generation system of the present invention including a power generation unit and an auxiliary unit connected to the power generation unit includes: And a fuel cell that generates heat energy, a heat exchanger that recovers heat energy generated by heat exchange with hot water in the hot water tank, and power generation control that drives the fuel cell when the hot water in the hot water tank is below a predetermined temperature And the auxiliary unit circulates the hot water in the hot water tank to radiate heat, the environment acquisition unit to acquire environmental information that affects the heat radiation efficiency in the circulation channel, and the circulation unit performs intermittent circulation repeating the hot water circulation and the circulation stopped and to set the cycle of the intermittent circulation is the time distribution of circulation and the circulation stopped based on the acquired environment information complement Characterized in that it comprises a control unit.
また、上記課題を解決するために、湯水を貯湯および保温する貯湯槽と、化学反応を通じて電気エネルギーおよび熱エネルギーを生成する燃料電池と、貯湯槽の湯水との熱交換によって生成された熱エネルギーを回収する熱交換器と、貯湯槽の湯水が所定温度未満のときに該燃料電池を駆動する発電制御部と、を含む発電ユニットに接続される本発明の発電システムの補助ユニットは、貯湯槽の湯水を循環させて放熱する循環流路と、循環流路における放熱効率に影響を及ぼす環境情報を取得する環境取得部と、循環流路への湯水の循環と循環停止とを繰り返す間欠循環を行うとともに、取得した環境情報に基づき循環および前記循環停止の時間配分である間欠循環の周期を設定する補助制御部と、を備えることを特徴とする。
In addition, in order to solve the above problems, the thermal energy generated by the heat exchange between the hot water storage tank for storing hot water and the hot water, the fuel cell for generating electric energy and thermal energy through a chemical reaction, and the hot water in the hot water storage tank. The auxiliary unit of the power generation system of the present invention connected to the power generation unit includes a heat exchanger to be recovered and a power generation control unit that drives the fuel cell when the hot water in the hot water tank is lower than a predetermined temperature . A circulation channel that circulates hot water and dissipates heat, an environment acquisition unit that acquires environmental information that affects heat dissipation efficiency in the circulation channel, and intermittent circulation that repeats circulation and stoppage of hot water to the circulation channel And an auxiliary control unit that sets a cycle of intermittent circulation, which is a time distribution of circulation and the circulation stop , based on the acquired environmental information.
発電ユニットでは、燃料電池が水素等の燃料と酸素等の酸化剤とを化学反応させ電気エネルギーおよび熱エネルギーを生成し、生成された熱エネルギーは湯水に置き換えられて貯湯槽で蓄積および保温される。しかし、貯湯槽の水温が所定の貯湯上限値まで上昇すると発電が停止され、以後、湯水取り出しや経時による水温低下時にのみ一時的に燃料電池による発電が実行される。本発明では、停電等の非常時に、貯湯槽の湯水を強制的に放熱、循環させ、貯湯槽の水温を貯湯上限値に到達させないことで継続的に発電させることを可能にする。このとき循環流路における湯水の放熱効率は循環流路周囲の環境に応じて異なり、環境情報を考慮せず単純に湯水を循環すると、湯水を十分に冷却できなかったり、無駄に冷却してしまうおそれがある。本発明では、環境情報に応じて間欠循環の周期を適切に制御することで、消費電力の低減を図りつつ湯水を十分に冷却することを可能にする。 In a power generation unit, a fuel cell chemically reacts a fuel such as hydrogen with an oxidant such as oxygen to generate electric energy and heat energy, and the generated heat energy is replaced with hot water and accumulated and kept in a hot water tank. . However, when the water temperature in the hot water tank rises to a predetermined hot water storage upper limit value, the power generation is stopped, and thereafter, the power generation by the fuel cell is temporarily executed only when the hot water is taken out or the water temperature decreases with time. In the present invention, hot water in a hot water tank is forcibly radiated and circulated in an emergency such as a power failure, and the water temperature in the hot water tank is not allowed to reach the hot water storage upper limit value, thereby enabling continuous power generation. At this time, the heat dissipation efficiency of the hot water in the circulation channel varies depending on the environment around the circulation channel, and if hot water is simply circulated without considering environmental information, the hot water cannot be cooled sufficiently or is wasted. There is a fear. In the present invention, by appropriately controlling the cycle of intermittent circulation according to environmental information, it is possible to sufficiently cool hot water while reducing power consumption.
また、補助ユニットは、停電を検出する停電検出部をさらに備え、補助制御部は、停電検出部が停電を検出しているとき湯水を循環させてもよい。貯湯槽の水温を貯湯上限値に到達させないように貯湯槽の湯水を積極的に放熱、循環させる上記の構成は、電気を必要とする停電時に必要であり、停電検出部を併用することで停電時に継続的に発電させることを可能にする。 The auxiliary unit may further include a power failure detection unit that detects a power failure, and the auxiliary control unit may circulate hot water when the power failure detection unit detects the power failure. The above configuration that actively dissipates and circulates hot water in the hot water tank so that the water temperature in the hot water tank does not reach the upper limit of hot water storage is necessary in the event of a power outage that requires electricity. Sometimes it is possible to generate electricity continuously.
環境情報は、循環流路の周囲の外気温情報、日時情報のいずれかまたは両方であってもよい。 The environmental information may be one or both of outside air temperature information and date information around the circulation channel.
循環流路の周囲の外気温は循環流路における放熱効率に影響する。従って、環境情報として実際の外気温を示す外気温情報を取得することで、適切な間欠周期を設定することができる。また、外気温情報を取得できなくとも、季節や時刻といった日時情報によって外気温を予測することが可能であり、それを環境情報として用いることもできる。 The outside air temperature around the circulation channel affects the heat radiation efficiency in the circulation channel. Therefore, an appropriate intermittent period can be set by acquiring the outside air temperature information indicating the actual outside air temperature as the environment information. Even if the outside air temperature information cannot be acquired, the outside air temperature can be predicted based on date and time information such as season and time, and can be used as environmental information.
補助制御部は、外気温情報による実際の外気温及び/又は日時情報に基づく予測外気温が高いほど間欠循環における循環時間の比率を高く設定してもよい。 The auxiliary controller may set the ratio of the circulation time in the intermittent circulation to be higher as the actual outside air temperature based on the outside air temperature information and / or the predicted outside air temperature based on the date / time information is higher.
外気温情報による実際の外気温または日時情報に基づく予測外気温が高いと、環境情報に基づく放熱効率は低くなる。本発明では、所定の放熱効率を確保すべく、環境情報に基づく放熱効率が低いときに循環流路における循環時間の比率を高く設定し、環境情報に基づく放熱効率が高いときに循環流路における循環時間の比率を低く設定する。 When the predicted outside temperature based on the actual outside temperature or the date / time information based on the outside temperature information is high, the heat dissipation efficiency based on the environmental information is low. In the present invention, in order to ensure a predetermined heat dissipation efficiency, the ratio of the circulation time in the circulation channel is set high when the heat dissipation efficiency based on the environmental information is low, and when the heat dissipation efficiency based on the environmental information is high, Set the circulation time ratio low.
補助制御部は、間欠循環における循環時間と停止時間とのサイクル毎に、取得した環境情報に基づいて間欠循環の周期を更新してもよい。
The auxiliary control unit may update the cycle of the intermittent circulation based on the acquired environment information for each cycle of the circulation time and the stop time in the intermittent circulation .
かかる循環時間と停止時間とのサイクル毎に環境情報を取得し間欠周期を見直す構成により、環境情報の変化にリアルタイムに追従して適切な循環時間と停止時間との比率を設定することができ、より適切な消費電力で湯水を十分に冷却することが可能となる。 By acquiring environmental information for each cycle of such circulation time and stop time and reviewing the intermittent cycle, it is possible to set an appropriate ratio of circulation time and stop time following real-time changes in environmental information, Hot water can be sufficiently cooled with more appropriate power consumption.
補助制御部は、循環中に循環時間が満了していなくとも、貯湯槽の水温が所定水温以下になると循環を停止させてもよい。 Even if the circulation time does not expire during circulation, the auxiliary control unit may stop the circulation when the water temperature of the hot water storage tank becomes equal to or lower than a predetermined water temperature.
補助制御部は、環境情報に応じて湯水の循環時間と停止時間との比率を決定し、循環時間中湯水の循環を実行する。しかし、貯湯槽の水温が十分に低くなった場合においてまで循環を継続させると電力を無駄に消費することとなる。本発明では、水温検出部を用い、貯湯槽の水温が十分に低くなったときには低温の湯水を止め無駄に循環させないようにし、循環時間内かつ高温時にのみ循環させることで、不要な放熱循環を回避し、消費電力の低減を図る。 The auxiliary control unit determines the ratio between the hot water circulation time and the stop time according to the environmental information, and executes the hot water circulation during the circulation time. However, if the circulation is continued until the temperature of the hot water tank is sufficiently low, power is wasted. In the present invention, when the water temperature of the hot water tank is sufficiently low, the low temperature hot water is stopped so as not to be circulated wastefully and is circulated only within the circulation time and at a high temperature, thereby preventing unnecessary heat radiation circulation. Avoid it and reduce power consumption.
以上説明したように本発明によれば、周囲の環境に拘わらず停電等の非常時に継続的に発電を遂行し、ユーザの利便性向上と安全の確保を図ることが可能となる。 As described above, according to the present invention, it is possible to continuously generate power during an emergency such as a power failure regardless of the surrounding environment, thereby improving the convenience of the user and ensuring safety.
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The dimensions, materials, and other specific numerical values shown in the embodiment are merely examples for facilitating understanding of the invention, and do not limit the present invention unless otherwise specified. In the present specification and drawings, elements having substantially the same function and configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted, and elements not directly related to the present invention are not illustrated. To do.
(第1の実施形態:発電システム100)
図1は、発電システム100の概略的な構成を示したブロック図である。発電システム100は、主として発電ユニット110と補助ユニット120とからなる。発電ユニット110では、燃料電池を通じて電気エネルギーと熱エネルギーとが生成され、少なくとも熱エネルギーは湯水として保持される。補助ユニット120は、発電システム100における特に湯水の循環に関する補助的な処理を遂行する。
(First embodiment: power generation system 100)
FIG. 1 is a block diagram illustrating a schematic configuration of the
(発電ユニット110)
図1に示したように、発電ユニット110は、貯湯槽150と、水温検出部180と、発電ラジエータ152と、燃料電池154と、熱交換器156と、給湯器158と、発電制御部160とを含んで構成され、自体で生成した熱エネルギーを湯水の顕熱として貯湯槽150に蓄積する。
(Power generation unit 110)
As shown in FIG. 1, the
貯湯槽150は、所定容量(例えば100リットル)の湯水を貯め得る保温性能が高い容器で形成され、発電ユニット110動作時は満水状態にある。ただし、後述するように熱交換された高温の湯水は貯湯槽150の一端部(例えば鉛直上端側170)に還送されるため、貯湯槽150内で、上端に向かうほど水温が高くなり貯湯槽150の上下で温度差が生じる。
The hot
水温検出部180は、貯湯槽150内の任意の位置に配置され、貯湯槽150における湯水の温度を検出する。
The
発電ラジエータ152は、貯湯槽150の鉛直下端側172に滞留している湯水を冷却する。かかる湯水の冷却方式は、熱交換媒体として液体を利用する液冷式と空気を利用する空冷式とがある。
The
燃料電池154は、発電ラジエータ152で冷却された湯水を、例えば、水蒸気に変換し、得られた水蒸気と混合した、都市ガス、液化石油ガス(LPG)、灯油といった燃料を水素に改質する。そして、改質した水素と、酸素等の酸化剤との化学反応を通じて電気エネルギーおよび熱エネルギーを生成する。かかる燃料電池154は、電解質や作動温度が異なる、固体高分子形燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)、りん酸形燃料電池(PAFC:Phosphoric Acid Fuel Cell)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC:Molten Carbonate Fuel Cell)、固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)、アルカリ電解質形燃料電池(AFC:Alkaline Fuel Cell)、直接形燃料電池(DFC:Direct Fuel Cell)等に分類される。
The
熱交換器156は、燃料電池154と、発電ラジエータ152によって冷却された貯湯槽150の鉛直下端側172の湯水との間で熱交換を行って、発電によって生じた熱エネルギーを回収する。また、熱回収により温められた湯水を貯湯槽150の鉛直上端側170に還送する。
The
給湯器(バックアップ給湯器)158は、貯湯槽150の鉛直上端側170および貯湯槽150の水道水の受水口174に接続され、給湯操作器(図示せず)に設定されたユーザが所望する水温(例えば32℃〜60℃内で任意に設定)になるように、貯湯槽150の高温の湯水と水道水とを混合して給湯バルブ176から給湯する。また、給湯器158は、加熱処理部178を含み、加熱処理部178は、貯湯槽150の鉛直上端側170の湯水が設定された水温に達していない場合に、所望の水温に達するまで貯湯槽150の湯水に対してさらに加熱処理を行う。
A hot water heater (backup hot water heater) 158 is connected to the vertical
発電制御部160は、中央処理装置(CPU)や信号処理装置(DSP:Digital Signal Processor)を含む半導体集積回路で構成され、所定のプログラムを用いて発電ユニット110全体を管理および制御する。発電制御部160は、水温検出部180が測定した貯湯槽150の湯水の水温が所定温度未満のときに燃料電池154による発電を実行する。また、発電制御部160は、貯湯槽150の湯水の圧を測定する水圧センサ186の測定値が所定圧未満になると、断水が発生したと認識し、安全のため断水異常状態に移行し発電を行えないように制限する。
The power
発電ユニット110は、発電によって生じた熱エネルギーを活用してユーザが利用する湯水を生成し、貯湯槽150にて保温しながら保持することを主たる目的としている。そのため、発電制御部160は、貯湯槽150の水温が所定の貯湯上限値(例えば65℃)まで上昇すると、発電によって生じる熱エネルギーを十分に回収できなくなるため、燃料電池154による発電が停止するように構成されている。なお、貯湯槽150の水温は、貯湯槽150の鉛直下端側172の水温を水温検出部180で直接計測して導出することもできるし、発電ラジエータ152の上流または下流において測定した温度を貯湯上限値に相当する温度に換算して間接的に導出することもできる。
The main purpose of the
ここで、ユーザが給湯を実行し、給湯により放出した湯水の代わりに受水口174を介して水道水が受水され水温が全体的に低下した場合、または、経時により水温が低下した場合にのみ、発電ユニット110は、貯湯槽150の水温を貯湯上限値に達するまで、一時的に燃料電池154による発電が再開する。
Here, only when the user executes hot water supply and tap water is received through the
また、停電時に発電ユニット110や後述する補助ユニット120を起動または動作維持するための電力は、発電ユニット110または商用電源によって予め蓄電されているバックアップ電源により供給される。このバックアップ電源は、発電ユニット110あるいは補助ユニット120のいずれに設けてもよい。
In addition, power for starting or maintaining operation of the
(補助ユニット120)
図1に示したように、補助ユニット120は、循環流路222と、停電検出部224と、送水ポンプ226と、循環弁228と、環境取得部218と、補助制御部230とを含んで構成され、発電ユニット110における貯湯槽150の湯水を循環流路222を用いて循環させる。
(Auxiliary unit 120)
As shown in FIG. 1, the
循環流路222は、例えば金属等放熱材料を用いた中空の管で構成され、貯湯槽150の湯水を循環させて放熱する。上述したように、発電ユニット110では、貯湯槽150の水温が所定の貯湯上限値まで上昇すると発電が停止され、以後、給湯器158を通じた給湯時または水温低下時にのみ一時的に燃料電池154による発電が実行される。これは、発電より貯湯、特に湯水の保温を優先していることに起因している。
The
しかし、停電等の非常時においては、商用電力の代替手段が必要となるので、発電ユニット110による継続的な発電が望まれる。そこで、補助ユニット120では、停電等の非常時に、保温されている貯湯槽150の湯水を、循環流路222を通じて積極的に放熱、循環させ、貯湯槽150の水温を貯湯上限値に到達させないことで発電ユニット110に継続的に発電させることを可能とする。
However, in the event of an emergency such as a power outage, an alternative means for commercial power is required, so continuous power generation by the
停電検出部224は、商用電源の電圧をモニタリングし、停電を検出する。以下では、停電が検出されているときを停電時と言い、停電が検出されていないときを通常時と言う。 The power failure detection unit 224 monitors the voltage of the commercial power supply and detects a power failure. Hereinafter, a time when a power failure is detected is referred to as a power failure, and a time when a power failure is not detected is referred to as a normal time.
送水ポンプ226は、循環流路222を通じて放熱された湯水を、所定の水圧(例えば2.0kgf/cm2)で貯湯槽150の鉛直下端側172に送水する。つまり、送水ポンプ226は、貯湯槽150の鉛直上端側170で滞留している湯水を循環流路222で循環、放熱させた後、貯湯槽150の鉛直下端側172に還送させる機能を担う。ここで、送水ポンプ226は、発電制御部160が断水異常の検出に用いる閾値である所定圧以上で湯水を送水する。
The
送水ポンプ226は、後述する送水ポンプ制御部234の制御に基づいて、貯湯槽150の湯水の冷却循環が必要ない通常時(非停電時)は動作せず、保温していた湯水を冷却してでも発電を実行させたい非常時、例えば、停電検出部224が停電を検出している停電時に動作する。送水ポンプ226は、非動作時においては単なる管(流路)として機能する。
Based on the control of the water pump control unit 234, which will be described later, the
また、循環流路222上には、水道182からの水道水を引き込むための流路が接続される。送水ポンプ226は、循環流路222で放熱された湯水と、水道182からの水道水とを合わせて貯湯槽150に送水する。貯湯槽150には給湯器158が給湯した分の湯水を補充するための水道水の受水口174が設けられている。ここでは、循環流路222で放熱された湯水と、水道水とを合わせることで、発電ユニット110の改変を伴うことなく既存の受水口174を有効利用し、湯水と水道水とを受水口に送水することができる。
Further, a flow path for drawing tap water from the
循環弁228は、後述する循環弁制御部236による制御に応じて循環流路222を開閉する。
The
環境取得部218は、上述した循環流路222における放熱効率に影響を及ぼす環境情報、特に循環流路222周囲の環境情報を取得する。ここで、環境情報は、循環流路222の放熱効率に関する循環流路222の周囲の環境の指標であり、循環流路222の周囲の外気温情報や現在の日時情報のいずれかまたは両方であってもよい。環境情報としては実際の外気温を用いるのが有効であるが、実際の外気温を取得できなくとも、季節(春夏秋冬)や時刻(朝昼夜)といった日時情報によって外気温を予測することが可能であり(以下、予測された外気温を予測外気温と言う。)、その予測外気温を環境情報として用いることもできる。また、当該発電システム100を設置する位置(緯度や高度)毎に異なるテーブルを準備し、その位置に応じたテーブルを用いて外気温を予測することもできる。
The
補助制御部230は、中央処理装置(CPU)や信号処理装置(DSP)を含む半導体集積回路で構成され、所定のプログラムを用いて補助ユニット120全体を管理し、主として補助ユニット120内各部の状況判断と、各弁およびポンプの制御とを行い、貯湯槽150と循環流路222との間の湯水の循環制御を実行する機能を担う。特に、本実施形態における補助制御部230は、停電検出部224が停電(停電および断水も含む)を検出すると、循環流路222を通じた湯水の循環態様と循環に費やす消費電力を考慮し、送水ポンプ226および循環弁228を制御して間欠的な循環制御(以下、単に間欠循環制御と言う。)を実行する。
The
本実施形態において、補助制御部230は、弁制御部232、送水ポンプ制御部234を含む。また、弁制御部232は、補助ユニット120に含まれる各弁を制御する。さらに弁制御部232は、循環弁制御部236や後述する排水弁制御部238としても機能する。
In the present embodiment, the
送水ポンプ制御部234および循環弁制御部236は、補助制御部230による湯水の循環指令に応じ、連携して湯水の循環制御を行う。詳細に、送水ポンプ制御部234は、補助制御部230が湯水の循環を指令している間、送水ポンプ226を駆動(ON)し、通常時や補助制御部230が湯水の停止を指令している間、送水ポンプ226を停止(OFF)する。循環弁制御部236は、補助制御部230が湯水の循環を指令している間、循環弁228を開口し、通常時や補助制御部230が湯水の停止を指令している間、循環弁228を閉口する。このように循環弁228を開口し、送水ポンプ226を駆動する構成により湯水が循環流路222を循環する。
The water supply pump control unit 234 and the circulation
また、循環弁制御部236が、湯水の循環を停止しているときに循環弁228を閉口することで、貯湯槽150に貯められた湯水が循環流路222へ流入するのを防止することができる。こうして、循環流路222中の放熱された湯水が貯湯槽150中の湯水と混合してしまうことにより貯湯槽150の保温機能を低下させる事態を回避することが可能となる。
In addition, the circulation
補助制御部230は、環境取得部218が取得した環境情報、ここでは、循環流路222の周囲の外気温情報や日時情報のいずれかまたは両方に基づいて循環流路222における湯水の循環時間と停止時間との比率(配分)、即ち間欠循環の周期(間欠周期)を設定し、設定した間欠周期に従い、送水ポンプ制御部234および循環弁制御部236を通じて湯水の間欠循環制御を実行する。
The
上述した循環流路222における湯水の放熱効率は循環流路222の周囲の環境、特に外気温に応じて異なり、外気温等の環境情報を考慮せず単純に湯水を循環すると、湯水を十分に冷却できなかったり、無駄に冷却してしまうおそれがある。ここでは、環境情報に応じて間欠循環における循環時間と停止時間との比率を相対的に変化させることで、全時間に対する湯水の循環時間を調整し、消費電力の低減を図りつつ湯水を十分に冷却することを可能にする。
The heat dissipation efficiency of the hot water in the
図2は、外気温と湯水の循環時間および停止時間との関係の一例を示したテーブルである。かかる図2のテーブルを参照して理解できるように、補助制御部230は、外気温情報による実際の外気温が高ければ高いほど間欠循環における循環時間の比率を高く設定する。例えば、実際の外気温が30℃以上のときには、循環時間の比率が高くなり、停止時間10分に対して循環時間が20分に設定される。これに対して、実際の外気温が10℃未満のときには、循環時間の比率が低くなり、停止時間25分に対して循環時間は5分しか設けられない。ここでは、実際の外気温を参照して循環時間および停止時間を設定しているが、日時情報に基づく予測外気温を用いて設定することもできる。
FIG. 2 is a table showing an example of the relationship between the outside air temperature, the hot water circulation time, and the stop time. As can be understood with reference to the table of FIG. 2, the
また、図2では、外気温に応じて循環時間と停止時間とを両方変化させているが、いずれか一方を固定し、他方のみを変化させて循環時間と停止時間との比率を相対的に変化させてもよい。 In FIG. 2, both the circulation time and the stop time are changed according to the outside air temperature, but either one is fixed and only the other is changed to relatively change the ratio between the circulation time and the stop time. It may be changed.
外気温情報による実際の外気温や日時情報に基づく予測外気温が高いと、環境情報に基づく放熱効率は低くなる。ここでは、環境情報に基づく放熱効率が低いとき(外気温が高いとき)に循環時間を長く設定し、環境情報に基づく放熱効率が高いとき(外気温が低いとき)に循環時間を短く設定することで、所定の放熱効率を確保する。 If the predicted outside air temperature based on the actual outside air temperature information and date / time information is high, the heat dissipation efficiency based on the environmental information is low. Here, set the circulation time longer when the heat dissipation efficiency based on the environmental information is low (when the outside air temperature is high), and set the circulation time short when the heat radiation efficiency based on the environment information is high (when the outside air temperature is low). Thus, a predetermined heat dissipation efficiency is ensured.
また、上述した例では、外気温(実際の外気温または予測外気温)と湯水の循環時間および停止時間との関係をテーブルで示したが、1または複数の次数の関係式によって算出することもできる。例えば、外気温をx(℃)、循環時間をy(分)、停止時間をz(分)とした場合に、y=0.5x+2.5、z=−0.5x+27.5とする。このような関係式を用いると上述したテーブルと比較して処理負荷が多くなるものの、循環時間や停止時間の連続性を担保でき、精度の高い間欠循環制御が可能となる。 In the above-described example, the relationship between the outside air temperature (actual outside air temperature or predicted outside air temperature), the hot water circulation time and the stop time is shown in the table, but may be calculated by a relational expression of one or a plurality of orders. it can. For example, when the outside air temperature is x (° C.), the circulation time is y (minutes), and the stop time is z (minutes), y = 0.5x + 2.5 and z = −0.5x + 27.5. When such a relational expression is used, although the processing load increases as compared with the above-described table, the continuity of the circulation time and the stop time can be ensured, and highly accurate intermittent circulation control is possible.
図3は、間欠循環制御の具体的な処理を示したフローチャートである。停電検出部224が停電を検出して間欠循環制御が開始されると、環境取得部218は、外気温を取得し(S400)、補助制御部230は、図2のテーブルを参照して、取得した外気温に対応する循環時間と停止時間とを設定し(S402)、循環を開始する(S404)。
FIG. 3 is a flowchart showing specific processing of intermittent circulation control. When the power failure detection unit 224 detects the power failure and the intermittent circulation control is started, the
循環が開始されると、水温検出部180は貯湯槽150の水温を検出し(S406)、送水ポンプ制御部234は、その水温が所定水温以下になると(S408のYES)、循環時間が満了していなくとも湯水の循環を停止させる(S410)。
When the circulation is started, the water
補助制御部230は、環境情報に応じて湯水の循環時間と停止時間との比率を決定し、循環時間中湯水の循環を実行する。しかし、貯湯槽150の水温が十分に低くなった場合においてまで循環を継続させると電力を無駄に消費することとなる。ここでは、水温検出部180を用い、貯湯槽150の水温が十分に低くなったときには低温の湯水を止め無駄に循環させないようにし、循環時間内かつ高温時にのみ循環させることで、不要な放熱循環を回避しつつ消費電力の低減を図り、より効果の高い循環制御が可能となる。
The
湯水の循環動作は、貯湯槽150の水温が所定水温以下にならない限り(S408のNO)、循環時間が経過するまで継続し(S412のNO)、循環時間が経過すると(S412のYES)、補助制御部230は、循環を停止する(S410)。湯水の停止動作は、停止時間が経過するまで継続し(S414のNO)、停止時間が経過すると(S414のYES)、間欠循環制御が繰り返される。かかる間欠循環制御中に停電検出部224が停電を検出しなくなると、即ち、停電から復旧した場合、間欠循環制御は終了する。
The hot water circulation operation is continued until the circulation time elapses (NO in S412) as long as the water temperature of the hot
このとき、環境取得部218は、図3のフローチャートに示すように、循環時間と停止時間とのサイクル毎、即ち、循環時間と停止時間を繰り返す度に外気温を取得し、補助制御部230は、環境取得部218が外気温を取得する毎(サイクル毎)に循環時間と停止時間との比率(間欠周期)を更新する。
At this time, as shown in the flowchart of FIG. 3, the
かかる循環時間と停止時間とのサイクル毎(例えば30分毎)に環境情報を取得し間欠周期を見直す構成により、環境情報の変化にリアルタイムに追従して、より適切な消費電力で湯水を十分に冷却することが可能となる。 Environment information is acquired every cycle (for example, every 30 minutes) between the circulation time and the stop time, and the intermittent cycle is reviewed to follow the change of the environment information in real time, and enough hot water is consumed with more appropriate power consumption. It becomes possible to cool.
ここでは、循環時間と停止時間とのサイクル毎に環境情報を取得し間欠周期を見直す構成を述べているが、停電時または停電後の任意のタイミングで環境情報を取得し、以後は、周期的に間欠周期を見直すこともできる。 Here, a configuration is described in which environmental information is acquired for each cycle of circulation time and stop time and the intermittent cycle is reviewed, but environmental information is acquired at any timing during or after a power failure. It is also possible to review the intermittent period.
以上説明した補助ユニット120を用いることで、通常時は経済性を意識して効率的に発電ユニット110を活用できると共に、災害時に停電が生じた場合には発電継続による電源供給を経済性より重視して発電ユニット110を活用できるので、照明、携帯電話、テレビジョン、冷蔵庫といった必要な電気機器を引き続き利用可能となる。また、施設や自宅に、常時屋内を監視する機械警備を導入している場合においても、その機械警備に引き続き通電できるので、災害時を狙った窃盗や不法侵入といった二次的被害から身を守ることが可能となる。
By using the
(第2の実施形態:発電システム200)
第1の実施形態では、発電ユニット110および補助ユニット120を通じて本発明の概念的な実施形態を説明した。第2の実施形態では、第1の実施形態における補助ユニット120をさらに具体的に示した補助ユニット220を通じて、発電システム200の詳細な構成と、その動作を説明する。
(Second embodiment: power generation system 200)
In the first embodiment, the conceptual embodiment of the present invention has been described through the
図4は、発電システム200の概略的な構成を示したブロック図である。発電システム200は、発電ユニット110と補助ユニット220とからなる。発電ユニット110は、図1に示したのと同様、貯湯槽150と、水温検出部180と、発電ラジエータ152と、燃料電池154と、熱交換器156と、給湯器158と、発電制御部160とを含んで構成される。
FIG. 4 is a block diagram illustrating a schematic configuration of the
また、補助ユニット220は、循環流路222と、停電検出部224と、送水ポンプ226と、循環弁228と、環境取得部218と、補助制御部230と、加熱検出器240と、給湯弁242と、循環ラジエータ246と、循環吸気弁248と、水抜弁250と、水抜逆止弁252と、循環逆止弁254と、貯水槽256と、放水排水弁258と、放水バルブ260と、温度検出器262と、水抜排水弁264と、流量センサ266と、排水逆止弁268と、排貯水吸気弁270と、水道受水バルブ272と、水道受水減圧弁274と、水圧センサ276と、断水検出部278と、水道水逆止弁284と、給水逆止弁286と、給水バルブ288とを含んで構成される。なお、循環流路222は、循環ラジエータ246、貯水槽256をその構成の一部に含んでなり、環境取得部218は循環流路222の周囲の外気温を取得すべく、例えば貯水槽256に設置される。
The
ここで、第1の実施形態における構成要素として既に述べた循環流路222と、停電検出部224と、送水ポンプ226と、循環弁228と、環境取得部218と、補助制御部230とは、実質的に機能が同一なので重複説明を省略し、ここでは、構成が相違する補助ユニット220の他の構成要素を主に説明する。また、第1の実施形態で説明したように、循環流路222は、貯湯槽150の鉛直上端側170に接続して高温になった湯水を直接循環させるのが望ましいが、本実施形態のように貯湯槽150に湯水を取り出すための口が設けられていない場合、給湯器158に接続して、給湯器158を介して貯湯槽150の湯水を循環することもできる。こうして、既存の発電ユニット110の改変を伴うことなく、ユーザの利便性向上と安全の確保を図ることが可能となる。
Here, the
(補助ユニット220)
第1の実施形態において述べたように、補助制御部230は、環境取得部218が取得した環境情報、ここでは、循環流路222の周囲の外気温情報や日時情報のいずれかまたは両方に基づいて循環流路222における湯水の循環時間と停止時間との比率を制御する(間欠循環制御)。このように全時間に対する湯水の循環時間を調整することで、夏季の日中等の高温時にも十分に貯湯槽150の湯水を冷却することができるとともに、冬季や夜間等の低温時には必要以上に循環させることによる電力消費の増加を抑えることができる。
(Auxiliary unit 220)
As described in the first embodiment, the
また、上述したように、補助制御部230は、水温検出部180で検出された水温が所定水温以下になると、循環時間が満了していなくとも湯水の循環を停止させる。このように貯湯槽150の水温が十分に低いときには低温の湯水を無駄に循環させないようにし、循環時間内かつ高温時にのみ循環させることで、不要な放熱循環を回避し、消費電力の低減を図る。
Further, as described above, when the water temperature detected by the water
さらに、当該補助ユニット220における循環制御では、加熱検出器240との関係で以下の処理が実施される。
Further, in the circulation control in the
加熱検出器240は、サーモスタット等で構成され、発電ユニット110の給湯器158に設置されて、給湯器158の加熱処理部178で加熱処理が為されているか否かを判定する。なお、給湯器158と電気的に接続し、動作信号を入力することで加熱処理の動作状態を検出するよう構成してもよい。
The
本実施形態では、循環流路222が給湯器158に接続され、循環流路222は給湯器158を介して貯湯槽150の湯水を受水している。従って、補助制御部230は、水温検出部180の代わりに、加熱検出器240の加熱処理の有無に応じて循環を停止するか否か決定する。即ち、加熱検出器240が加熱処理の有無によって貯湯槽150の水温の高低を判定し、補助制御部230は、加熱処理が為されていることを検出したことをもって貯湯槽150が低温であると判定する。
In the present embodiment, the
第1の実施形態における補助ユニット120同様、第2の実施形態の補助ユニット220は、停電等の非常時に、貯湯槽150の湯水を積極的に放熱、循環させ、貯湯槽150の水温を貯湯上限値に到達させないことで発電ユニット110に継続的に発電させることが可能となる。しかし、貯湯槽150の水温が十分に高くなっていないとき、給湯器158において貯湯槽150の湯水が加熱処理される場合がある。
Similar to the
当該補助ユニット220が、このような貯湯槽150の水温が低い場合においてまで徹底して放熱を遂行すると、加熱と放熱との相反する処理を並行して実行することとなり放熱効率が悪くなる。また、給湯器158の加熱処理による無駄な電力消費が生じてしまう。さらに、貯湯槽150の水温が低い場合、湯水の循環を行わなくとも発電ユニット110自体によって発電が継続される。ここでは、加熱処理の有無によって貯湯槽150の水温の高低を判定することとし、加熱処理が為されているときに低温の湯水を無駄に循環させないようにし高温時にのみ循環させることで、不要な放熱循環を回避し、消費電力の低減を図る。
If the
ただし、補助制御部230は、貯湯槽150の水温、または、加熱検出器240の判定の如何に拘わらず、停電検出部224が停電を検出してから所定時間、例えば20分間循環弁228を開口し続け、送水ポンプ226を駆動して湯水の循環を遂行する。かかる所定時間は、実際の経過時間を計ってもよいし、例えば循環流路222に設けられた流量センサ(図示せず)によって20リットルの湯水の流量が検出されたとき等、他のパラメータによって計ることもできる。
However, the
上述したように、循環弁制御部236が循環弁228を閉口して湯水の循環を停止したとしても貯湯槽150内の湯水が貯湯上限値に達していなければ発電が継続される。しかし、長時間発電が行われていない等、所定の状況下においては、貯湯槽150内の温度が均一化し、貯湯槽150の鉛直上端側170の湯水の温度が、給湯器158において加熱処理が行われる程度に下がり、鉛直下端部172における湯水の温度が貯湯上限値に近づいている場合がある。この場合、本実施形態による循環を実行することなく発電を行うと、貯湯槽150の鉛直下端側172の水温が貯湯上限値に達し易くなり、発電が停止するおそれがある。そこで、補助制御部230は、停電検出部224が停電を検出すると、給湯器158の動作に因らず所定時間湯水を強制的に循環させることで、一旦貯湯槽150の水温を下げ、継続的に発電可能とする。
As described above, even if the circulation
また、補助制御部230は、所定時間湯水を強制的に循環させた後、すぐに通常の間欠循環制御を開始してもよいし、さらに所定時間循環を強制的に停止させた後、発電ユニット110による発電が開始されているのを確認して間欠循環制御を遂行してもよい。
Further, the
給湯弁242は、給湯器158の出水側に設けられ、弁制御部232の指示に従って給湯バルブ176への流路を開閉する。
Hot
循環ラジエータ246は、貯湯槽150から循環流路222に送水された湯水を冷却する。循環ラジエータ246の冷却能力は、上述した間欠循環制御において参照される循環時間や停止時間に影響する。かかる湯水の冷却方式は、発電ラジエータ152同様、熱交換媒体として液体を利用する液冷式と空気を利用する空冷式とがある。また、当該循環ラジエータ246は、凍結防止のため、利用しないときには内部の循環流路222から水が抜かれている。
The
上述したように補助ユニット220では、貯湯槽150の湯水を放熱、循環させ、継続的に発電ユニット110を発電させている。しかし、発電による貯湯槽150の水温の上昇に対して放熱による水温の下降が間に合わなかった場合、発電ユニット110の発電が途切れるおそれがある。ここでは、循環ラジエータ246を用い貯湯槽150の放熱効果(冷却効果)を高めることによって、発電ユニット110による安定した発電が可能となる。
As described above, in the
循環吸気弁248a、248bは、それぞれ循環ラジエータ246の上流と下流に設けられ、循環ラジエータ246の排水時に吸気を行う。上述した循環ラジエータ246には、水抜き用の吸気口および水抜弁も並設されているので、かかる循環吸気弁248a、248bと連動して排水が可能となる。
The
水抜弁250は、循環ラジエータ246の水抜きを実行する際、循環ラジエータ246からの水の流路を開閉する。
The
水抜逆止弁252は、循環ラジエータ246から送出された湯水を通流すると共に、循環ラジエータ246への逆流を防ぐ。
The drainage check valve 252 allows hot water sent from the
循環逆止弁254は、停電等の非常時に循環流路222に湯水を循環する際、循環ラジエータ246から流出された湯水を通流すると共に、循環ラジエータ246への逆流を防ぐ。
The
貯水槽256は、所定容量(例えば100リットル)の湯水を貯め得る金属等放熱機能を有する容器で形成され、循環流路222の一部として機能する。
The
放水排水弁258は、排水弁制御部238の制御に応じて、循環流路222、特に貯水槽256の湯水を排水するための流路を開閉する。
The water discharge /
排水弁制御部238は、後述する温度検出器262が検出した温度が所定温度以上になると放水排水弁258を開口し貯水槽256の湯水を排水する。かかる所定温度は、その貯水槽256の湯水が貯湯槽150に送水されたとしても貯湯槽150の水温が発電を停止せしめる貯湯上限値に達してしまうと判断される温度である。
The drain
補助ユニット220では、貯湯槽150の湯水を放熱、循環させ、継続的に発電ユニット110を発電可能としている。しかし、循環流路222内の水温が上昇すると貯湯槽150内の水温を十分に下げることができなくなり、発電ユニット110の発電が途切れるおそれがある。ここでは、所定温度以上となった循環流路222の湯水を排水し低温の水道水を受水することで、貯湯槽150の放熱効果(冷却効果)を高め、発電ユニット110による安定した発電が可能となる。
The
放水バルブ260は、貯水槽256に蓄積された湯水または水道水を外部に放水するための流路を開閉する。上述した停電同様、災害時には断水も生じ得る。ここでは、補助ユニット220を循環する水を貯水槽256に貯水し、放熱媒体としてのみならず断水時の利用水として有効利用することで、給電と給水の両機能を実現することが可能となる。
The
しかし、上述した循環ラジエータ246には、停電等の非常時以外の通常時において、凍結防止のため水が張られていない。そのため、非常事態が生じたときには、まず、循環ラジエータ246に水を充填しなければならない。そこで、放水バルブ260を通じた放水は、少なくとも循環ラジエータ246に充填すべき容量だけは残すようにして実行される。
However, the above-mentioned
温度検出器262は、サーモスタット等で構成され、循環流路222における例えば貯水槽256の鉛直下端部184付近に設けられ貯水槽256内の水温を検出する。
The
水抜排水弁264は、弁制御部232の制御に応じて、循環流路222、特に貯水槽256の湯水を排水するための流路を開閉する。
The
流量センサ266は、水抜排水弁264の下流かつ排水逆止弁268の上流に配置され、水抜排水弁264を通流する水の流量を測定する。
The
排水逆止弁268は、排水弁制御部238が循環流路222の湯水を排水するとき、水抜排水弁264から送出された湯水を通流すると共に、水抜排水弁264への逆流を防ぐ。
When the drain
排貯水吸気弁270は、放水バルブ260を通じて放水するとき、放水バルブ260から放水された水量分の空気を吸気する。
When the drainage
水道受水バルブ272は、水道182から貯水槽256への流路を開閉する。
The
水道受水減圧弁274は、水道受水バルブ272に連結され、水道圧を所定値、例えば3.7kgf/cm2に減圧してその変動を均一化する。貯湯槽150には給湯器158が給湯した分の湯水を補充するための水道水の受水口174が設けられている。そこで、本実施形態では、既存の受水口174の構成を有効利用し、発電ユニット110の改変を伴うことなく、循環流路222で放熱された湯水と水道受水減圧弁274で減圧した水道水とを合わせてその受水口174に送水するのが望ましい。
The water receiving
水圧センサ276は、水道受水バルブ272の下流に設けられ、水道圧を測定する。
The
断水検出部278は、水圧センサ276の測定結果に基づいて、断水状態か否かを検出する。
Based on the measurement result of the
水道水逆止弁284は、水道水を通流すると共に、貯水槽256から水道への逆流を防ぐ。
The tap
また、送水ポンプ制御部234は、断水検出部278が断水を検出したとき(以下、単に断水時という。)の水圧も維持するように、送水ポンプ226を制御する。発電ユニット110では、上述したように電気エネルギーおよび熱エネルギーを生成し、生成された熱エネルギーは湯水に置き換えられて貯湯槽150に蓄積される。しかし、断水によって、貯湯槽150への水道水の給水が停止してしまうと、発電時に生じる熱を回収するための湯水を確保できなくなることから、発電ユニット110の発電制御部160は、貯湯槽150の水圧センサ180の測定値が所定圧(例えば、0.5kgf/cm2)未満になると燃料電池154による発電を停止させ、断水が復旧し、所定の復旧操作が行われるまで発電を再開しないよう構成されている。ここでは、水圧を所定圧以上に維持しつつ、送水ポンプ制御部234に制御された送水ポンプ226を通じて貯水槽256の湯水を貯湯槽150へ送水することで、停電と断水が併発した場合であっても継続的に発電することが可能となる。
In addition, the water pump control unit 234 controls the
給水逆止弁286は、送水ポンプ226から送出された水を通流すると共に、送水ポンプ226への逆流を防ぐ。
The water
給水バルブ288は、給水逆止弁286から貯湯槽150および給湯器158への流路を開閉する。
(発電方法)
続いて、上述した発電システム200における発電方法の詳細な処理の流れを説明する。図5は、発電方法における状態遷移を示した状態遷移図である。当該発電方法は、図5に示したように、通常状態、停電状態、断水状態、および停電・断水状態の4つの状態を遷移する。ここでは、まず、4つの状態における発電システム200の各弁やポンプの動作を説明する。
(Power generation method)
Next, a detailed processing flow of the power generation method in the
(通常状態)
図6は、通常状態における各弁およびポンプの動作を示した説明図であり、図7は、通常状態における湯水の流れを説明するための模式図である。発電システム200における各弁は、非通電で開口している弁と、閉口している弁の2つの弁が準備されている。かかる通電/非通電の状態は図中括弧内のON/OFFで表される。
(Normal state)
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the operation of each valve and pump in the normal state, and FIG. 7 is a schematic diagram for explaining the flow of hot water in the normal state. Each valve in the
図6に示すように、通常状態では、水道182の圧は正常であり、すべての弁および送水ポンプ226を非通電にしたままで、図7に太線で示したような湯水の流れが形成される。従って、給湯器158で給湯が可能となるように給湯器158の給湯弁242も開口されている。また、水抜排水弁264、放水排水弁258、循環弁228、水抜弁250は、閉口されている(S1)。通常状態では、まだ湯水の循環は開始されないため、送水ポンプ226はOFFしているが、その流路は開放されているので、送水ポンプ226を通流する水道圧のみで水道水が貯湯槽150に送水される。このとき給湯器158で湯水を利用すると、その利用された分の水が水道182から補充され、給湯を通じた湯水の送水と水の受水等により貯湯槽150内の水温が低下すると一時的に燃料電池154による発電が再開される。
As shown in FIG. 6, in the normal state, the pressure of the
(停電状態)
図8は、停電状態における各弁およびポンプの動作を示した説明図であり、図9は、停電状態における湯水の流れを説明するための模式図である。停電時、補助制御部230は、環境取得部218が取得した循環流路222の周囲の外気温情報や日時情報のいずれかまたは両方に基づいて循環流路222における湯水の循環時間と停止時間との比率を設定する。そして、補助制御部230は、設定された循環時間において、貯湯槽150の湯水を循環するため、循環弁228を開口し貯湯槽150と循環流路222との流路を確保すると共に、送水ポンプ226を駆動する(S1)。
(Power failure state)
FIG. 8 is an explanatory diagram showing the operation of each valve and pump in the power failure state, and FIG. 9 is a schematic diagram for explaining the flow of hot water in the power failure state. At the time of power failure, the
また、設定された停止時間中、補助制御部230は、循環を停止すべく、循環弁228を閉口すると共に送水ポンプ制御部234を通じて送水ポンプ226をOFFする(S2)。そして停止時間が経過すると再度、送水ポンプ226をONし、循環弁228を開口して循環を再開させる(S1)。ここでは、循環停止時に循環弁228を閉口する構成を述べているが、送水ポンプ226が停止すると湯水の流動はほとんどなくなるので、循環弁228を開口したままにすることもできる。また、循環時間中であっても、水温検出部180または加熱検出器240により貯湯槽150の水温が所定水温以下になったことを検出すると、補助制御部230は湯水の循環を停止させる。
Further, during the set stop time, the
また、基本状態(S1)に戻っているとき、温度検出器262が、貯水槽256の鉛直下端部184の水温が所定温度以上であると判断すると、排水弁制御部238は、湯水の循環中か否かに拘わらず、断水検出部278が断水を検出していないことを確認して放水排水弁258を開口し、貯水槽256の湯水を排水する(S3)。排水した分の湯水は水道182から補充される。そして所定の時間が経過すると放水排水弁258を閉口して排水を停止する(S1)。ここでは、所定温度以上となった貯水槽256の湯水を排水し低温の水道水を受水することで、貯湯槽150の放熱効果(冷却効果)を高め、発電ユニット110による発電を継続可能としている。
When the
(断水状態)
図10は、断水状態における各弁およびポンプの動作を示した説明図であり、図11は、断水状態における湯水の流れを説明するための模式図である。断水状態では、水道182の圧が低下し、停電検出部224が停電を検出していないので送水ポンプ226の圧もかからない。従って、給湯器158による湯水の給湯を可能とすると、貯湯槽150における湯水の圧が減少し発電ユニット110が断水異常となってしまい、後に停電が併発した際に発電を再開できなくなる。ここでは、図10に示すように給湯弁242を閉口して(S1)、図11に示すように湯水の給湯を制限することで湯水の圧の低下を防止し、発電が停止される事態を回避することが可能となる。
(Water outage)
FIG. 10 is an explanatory diagram showing the operation of each valve and pump in a water-stopped state, and FIG. 11 is a schematic diagram for explaining the flow of hot water in the water-stopped state. In the water cut-off state, the pressure of the
(停電・断水状態)
図12は、停電・断水状態における各弁およびポンプの動作を示した説明図であり、図13は、停電・断水状態における湯水の流れを説明するための模式図である。停電かつ断水時、停電状態同様、補助制御部230は、環境取得部218が取得した循環流路222の周囲の外気温情報や日時情報のいずれかまたは両方に基づいて循環流路222における湯水の循環時間と停止時間との比率を設定する。そして、補助制御部230は、設定された循環時間において、貯水槽256の湯水を循環するため、循環弁228を開口し貯湯槽150と循環流路222との流路を確保すると共に、送水ポンプ226を駆動する(S1)。
(Power failure / water outage)
FIG. 12 is an explanatory diagram showing the operation of each valve and pump in a power failure / water cutoff state, and FIG. 13 is a schematic diagram for explaining the flow of hot water in the power failure / water cutoff state. During a power outage and a water outage, the
また、設定された停止時間中、停電状態同様、補助制御部230は、循環を停止すべく、循環弁228を閉口すると共に、送水ポンプ制御部234を通じて送水ポンプ226をOFFする(S2)。そして停止時間が経過すると再度、送水ポンプ226をONし、循環弁228を開口して循環を再開させる(S1)。また、循環時間中であっても、水温検出部180または加熱検出器240により貯湯槽150の水温が所定水温以下になったことを検出すると補助制御部230は湯水の循環を停止させる。
Further, during the set stop time, like the power failure state, the
また、断水状態と異なり、送水ポンプ226が駆動し、水道圧の低下に拘わらず貯湯槽150への圧が保たれるので、貯水槽256で許容される水量だけ、給湯器158から給湯することも可能である。図12においては給湯弁242が閉口されているが、給湯を実行する場合、貯水槽256の水量が所定の水量以下になるまで給湯弁242を一時的に開放させる。
Also, unlike the water shutoff state, the
続いて、図5における状態遷移を、1.停電時、2.復電時、3.断水時、4.復水時、5.停電中の断水時、6.停電断水中の復水時、7.断水中の停電時、8.停電断水中の復電時の8の事象に分けて説明する。また、以下の説明で用いられる各所定時間は、それぞれの動作が完了するまでの猶予を踏まえて任意に設定される時間を言う。 Subsequently, the state transition in FIG. 1. During a power failure 2. When power is restored 3. When water is shut off 4. At the time of condensing 5. When there is a water outage during a power outage 6. When condensing during a power outage, 7. During a power outage during a water outage, The explanation will be divided into 8 events when power is restored during a power outage. In addition, each predetermined time used in the following description refers to a time arbitrarily set based on a delay until each operation is completed.
(1.停電時)
図14は、停電時の各処理における各弁およびポンプの開閉の遷移を示した説明図である。通常状態では、弁やポンプはすべてOFFになっているが(S1)、停電検出部224が停電を検出すると、送水ポンプ226が駆動すると共に、循環弁228を開口して、図8のように停電状態の運転(間欠循環制御)を開始する(S2)。
(1. Power failure)
FIG. 14 is an explanatory diagram showing transition of opening and closing of each valve and pump in each process during a power failure. In the normal state, all the valves and pumps are OFF (S1), but when the power failure detection unit 224 detects a power failure, the
(2.復電時)
図15は、復電時の各処理における各弁およびポンプの開閉の遷移を示した説明図である。停電状態では間欠循環制御の状態(循環時間中か停止時間中か)に応じて循環弁228の開閉や送水ポンプ226のON/OFFが変化している(S1)。このとき復電、即ち、停電検出部224が停電を検出しなくなると、放水排水弁258と循環弁228とを閉口する(S2)。そして、水抜弁250を開口して循環ラジエータ246に充填されている水を排水する(S3)。所定の時間経過後、水抜弁250を閉口して循環ラジエータ246の水抜きを終了し、続いて、送水ポンプ226を停止する(S4)。こうして図6に示したように、通常状態の運転が開始される。
(2. When power is restored)
FIG. 15 is an explanatory diagram showing transition of opening and closing of each valve and pump in each process during power recovery. In the power failure state, opening / closing of the
(3.断水時)
図16は、断水時の各処理における各弁およびポンプの開閉の遷移を示した説明図である。通常状態では、弁やポンプはすべてOFFになっているが(S1)、断水検出部278が断水を検出すると給湯弁242を閉口する(S2)。
(3. When water is shut off)
FIG. 16 is an explanatory view showing the opening and closing transition of each valve and pump in each process at the time of water interruption. In the normal state, all the valves and pumps are OFF (S1), but when the water cutoff detector 278 detects water cutoff, the hot
また、断水は検出されているが停電が検出されていない場合、発電を継続して行えるようにする必要はないため、循環弁228は閉口したまま、送水ポンプ226もOFFのまま維持する。これにより、貯湯槽150へ加えられている水圧を通常状態に保持し、続いて停電が発生した場合にスムーズに発電を開始させることができる。
Further, when the water break is detected but the power failure is not detected, it is not necessary to continue the power generation. Therefore, the
このとき、ユーザは、必要に応じて放水バルブ260を手動で開口することで貯水槽256から水を受水することができる。ただし、上述したように、非循環時には循環ラジエータ246には水が張られていないので、停電時において循環ラジエータ246に充填すべき水分(例えば20リットル)だけは貯水槽256に残るように、貯水槽256に対する放水バルブ260の取り出し位置が調整される。なお、放水バルブ260は、断水時にのみ手動で開口操作可能とし、非断水時は取水できないよう構成するのが好ましい。こうして、図10に示したように断水状態の運転が開始される。
At this time, the user can receive water from the
(4.復水時)
図17は、復水時の各処理における各弁およびポンプの開閉の遷移を示した説明図である。断水状態では給湯弁242が閉口されている(S1)。ここで、断水検出部278が断水を検出しなくなって水道圧が戻ると、まず水抜排水弁264を開口し、水道182から水を受水すると共に貯水槽256内の空気を水抜排水弁264を通じて排出する(S2)。そして、流量センサ266によって所定の流量を検出すると、水抜排水弁264を閉口し、給湯弁242を開口する(S3)。こうして、図6に示したような通常状態に戻り、ユーザは給湯が可能となる。
(4. Condensate)
FIG. 17 is an explanatory view showing the opening and closing transition of each valve and pump in each process during condensate. In the water shut-off state, the hot
(5.停電中の断水時)
図18は、停電中の断水時の各処理における各弁およびポンプの開閉の遷移を示した説明図である。停電状態では間欠循環制御の状態(循環時間中か停止時間中か)に応じて循環弁228の開閉や送水ポンプ226のON/OFFが変化している(S1)。このとき断水検出部278が断水を検出すると、水の排水を回避すべく、排水弁制御部238を無効化して、放水排水弁258および給湯弁242を閉口する(S2)。このとき、排貯水吸気弁270が開口されているので、ユーザは、必要時に放水バルブ260を手動で開口して貯水槽256から湯水を受水することができる。こうして、図12に示したように、停電断水状態の運転が開始される。
(5. When there is a water outage during a power failure)
FIG. 18 is an explanatory diagram showing transition of opening and closing of each valve and pump in each process at the time of water outage during a power failure. In the power failure state, opening / closing of the
ここでは、湯水の排出を防ぎつつ発電を継続しており、温度検出器262が所定温度の超過を検出した場合であっても、排水に頼らず、自然放熱(例えば発電の一時停止)によって循環を維持する。ここで、排水弁制御部238を無効化したが、停電断水時であっても発電を最優先する場合、水を排水してでも発電を継続することができる。
Here, power generation is continued while preventing hot water from being discharged, and even if the
(6.停電断水中の復水時)
図19は、停電断水中の復水時の各処理における各弁およびポンプの開閉の遷移を示した説明図である。放水排水弁258が閉口されている状態で(S1)で、断水検出部278が断水を検出しなくなると、水抜排水弁264を開口し、水道水を貯水槽256に受水させると共に水抜排水弁264から、貯水槽256内の空気を排気する(S2)。そして、流量センサ266によって所定の流量を検出すると、水抜排水弁264を閉口し、排水弁制御部238の無効化を解除すると共に、給湯弁242を開放して給湯を可能とする(S3)。こうして、図8に示した停電状態の運転が開始される。
(6. Condensation during a power outage)
FIG. 19 is an explanatory diagram showing the opening and closing transition of each valve and pump in each process during condensing during a power outage. When the water
(7.断水中の停電時)
図20は、断水中の停電時の各処理における各弁およびポンプの開閉の遷移を示した説明図である。断水状態では給湯弁242が閉口されている(S1)。断水中に停電検出部224が停電を検出すると、補助制御部230は、間欠循環制御を開始し、循環弁228を開閉、送水ポンプ226をON/OFFする。このとき、放水排水弁258は閉口を維持する(S2)。こうして、図12に示したような停電・断水状態の運転が開始される。
(7. During power outages during water outages)
FIG. 20 is an explanatory diagram showing the opening and closing transition of each valve and pump in each process during a power failure during a water outage. In the water shut-off state, the hot
(8.停電断水中の復電時)
図21は、停電断水中の復電時の各処理における各弁およびポンプの開閉の遷移を示した説明図である。停電状態では基本的に循環弁228が開口して、送水ポンプ226がONしているが、加熱処理部178によっては、開閉やON/OFFが変化している場合もあり得る(S1)。停電断水中に停電検出部224が停電を検出しなくなると、循環弁228を閉口して循環を停止させる(S2)。そして、水抜弁250を開口して循環ラジエータ246に充填されている水を排水する(S3)。所定時間経過後、水抜弁250を閉口して循環ラジエータ246の水抜きを終了し、給湯弁242を閉口すると共に送水ポンプ226を停止する(S4)。こうして図10に示すような断水状態の運転が開始される。
(8. When power is restored during a power outage)
FIG. 21 is an explanatory diagram showing the opening and closing transition of each valve and pump in each process during power recovery during a power outage. In the power failure state, the
かかる発電方法においても、停電等の非常時に継続的に発電を遂行し、ユーザの利便性向上と安全の確保を図ることが可能となる。 Even in such a power generation method, it is possible to continuously generate power during an emergency such as a power failure, thereby improving the convenience of the user and ensuring safety.
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described referring an accompanying drawing, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to this embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope of the claims, and these are naturally within the technical scope of the present invention. Understood.
なお、本明細書の発電方法をはじめとする上述した処理動作における各工程は、必ずしも説明図として記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、並列的あるいはサブルーチンによる処理を含んでもよい。 It should be noted that each step in the above-described processing operation including the power generation method of the present specification does not necessarily have to be processed in time series according to the order described as an explanatory diagram, and may include processing in parallel or by a subroutine. Good.
本発明は、燃料電池を通じて電気エネルギーおよび熱エネルギーを発生させる発電システムおよび発電システムの補助ユニットに利用することができる。 The present invention can be used for a power generation system that generates electric energy and thermal energy through a fuel cell and an auxiliary unit of the power generation system.
100、200 …発電システム
110 …発電ユニット
120、220 …補助ユニット
150 …貯湯槽
154 …燃料電池
156 …熱交換器
158 …給湯器
160 …発電制御部
178 …加熱処理部
180 …水温検出部
218 …環境取得部
222 …循環流路
224 …停電検出部
226 …送水ポンプ
228 …循環弁
236 …循環弁制御部
238 …排水弁制御部
240 …加熱検出器
256 …貯水槽
262 …温度検出器
278 …断水検出部
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記発電ユニットは、
湯水を貯湯および保温する貯湯槽と、
化学反応を通じて電気エネルギーおよび熱エネルギーを生成する燃料電池と、
前記貯湯槽の湯水との熱交換によって前記生成された熱エネルギーを回収する熱交換器と、
前記貯湯槽の湯水が所定温度未満のときに前記燃料電池を駆動する発電制御部と、を備え、
前記補助ユニットは、
前記貯湯槽の湯水を循環させて放熱する循環流路と、
前記循環流路における放熱効率に影響を及ぼす環境情報を取得する環境取得部と、
前記循環流路への湯水の循環と循環停止とを繰り返す間欠循環を行うとともに、前記取得した環境情報に基づき前記循環および前記循環停止の時間配分である前記間欠循環の周期を設定する補助制御部と、
を備えることを特徴とする発電システム。 A power generation system including a power generation unit and an auxiliary unit connected to the power generation unit,
The power generation unit is
A hot water tank for storing hot water and keeping warm,
A fuel cell that generates electrical and thermal energy through chemical reactions;
A heat exchanger that recovers the generated thermal energy by heat exchange with hot water in the hot water tank;
A power generation control unit that drives the fuel cell when the hot water in the hot water tank is below a predetermined temperature ,
The auxiliary unit is
A circulation flow path for radiating heat by circulating hot water in the hot water storage tank;
An environment acquisition unit that acquires environmental information that affects heat dissipation efficiency in the circulation channel;
An auxiliary control unit that performs intermittent circulation that repeats circulation and stop of hot water to the circulation flow path, and sets a cycle of the intermittent circulation that is a time distribution of the circulation and the circulation stop based on the acquired environmental information When,
A power generation system comprising:
前記貯湯槽の湯水を循環させて放熱する循環流路と、
前記循環流路における放熱効率に影響を及ぼす環境情報を取得する環境取得部と、
前記循環流路への湯水の循環と循環停止とを繰り返す間欠循環を行うとともに、前記取得した環境情報に基づき前記循環および前記循環停止の時間配分である前記間欠循環の周期を設定する補助制御部と、
を備えることを特徴とする発電システムの補助ユニット。 A hot water storage tank for hot water hot water storage and thermal insulation, and a fuel cell for generating electrical energy and thermal energy through a chemical reaction, a heat exchanger for recovering heat energy which is the product by heat exchange with the hot water該貯tundish, the A power generation control unit that drives the fuel cell when the hot water in the hot water tank is below a predetermined temperature, and an auxiliary unit connected to the power generation unit,
A circulation flow path for radiating heat by circulating hot water in the hot water storage tank;
An environment acquisition unit that acquires environmental information that affects heat dissipation efficiency in the circulation channel;
An auxiliary control unit that performs intermittent circulation that repeats circulation and stop of hot water to the circulation flow path, and sets a cycle of the intermittent circulation that is a time distribution of the circulation and the circulation stop based on the acquired environmental information When,
An auxiliary unit of a power generation system comprising:
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