JP5545201B2

JP5545201B2 - 定置型熱電併給システム

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Publication number: JP5545201B2
Application number: JP2010284642A
Authority: JP
Inventors: 幹鐘弘畑
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2030-12-21
Also published as: JP2012132355A

Description

本発明は、定置型熱電併給システムに関する発明である。

従来、液体燃料や都市ガス等を燃料とするエンジンで発電機を駆動して電力を得ると共に、エンジンからの排熱を回収し熱源として利用する熱電併給システム（コージェネレーションシステム）が知られている。近年、このコージェネレーションシステムはＣＯ_２削減や省エネ等の見地から注目されている。例えば、以下の特許文献１に記載のエンジンコージェネレーションシステムは、エンジン及び発電機の組み合わせからなる複数のエンジン発電機と、照明器具等の家電機器からなる電力負荷と、エンジン冷却熱回収用の熱交換器と、エンジン排ガス熱回収用の熱交換器と、家庭内にある給湯設備や空調設備等の熱負荷とを備えており、各エンジンを回転動作して各々の発電機を駆動し、これにより得られた電力を電力負荷に供給すると共に、各熱交換器で回収された排熱を熱負荷に供給する。そして、発電効率及び排熱量の異なる複数の運転モードで各エンジンを回転動作することで、このエンジンコージェネレーションシステムの電力出力と熱出力との比である熱電比を制御して電力需要及び熱需要の変化に追従し、効率のよいエンジンコージェネレーションシステムを得ることができるとしている。

特開２００５−１６３６２４号公報

しかしながら、上記のエンジンコージェネレーションシステムでは、複数の運転モードによる制御のみで熱電比を変化させており、このような制御のみでは熱電比の変化は段階的なものになる。その結果、電力需要や熱需要に比して、電力供給量や熱供給量が大きくなり、活用されず無駄に捨てられるエネルギが発生する場合がある。

本発明は、このような課題を解決するために成されたものであり、熱電比を連続的に変化させることで需要に応じ適切に電力及び熱の供給が行える定置型熱電併給システムを提供することを目的とする。

本発明の定置型熱電併給システムは、エンジンと、エンジンによって得られる動力で駆動する発電機と、エンジンによって得られる動力で駆動するヒートポンプ用圧縮機と、エンジンによって得られる動力を発電機及びヒートポンプ用圧縮機に分配し、かつ、発電機に分配する動力とヒートポンプ用圧縮機に分配する動力とを連続的に変化させることが可能な動力分配手段とを備える。

本発明では、エンジンを運転することによって動力が得られ、この動力が動力分配手段によって発電機及びヒートポンプ用圧縮機に分配され、これら分配された動力によって発電機及びヒートポンプ用圧縮機が駆動する。エンジンによって得られた動力が動力分配手段によって発電機及びヒートポンプ用圧縮機に分配される際、発電機に分配される動力と、ヒートポンプ用圧縮機に分配される動力とは連続的に変化させることができるため、発電機で得られる電力量と、ヒートポンプで得られる熱量とを連続的に変化させることができる。従って、発電機で得られる電力量と、ヒートポンプで得られる熱量との比である熱電比を連続的に変化させることができ、需要に応じ適切に電力及び熱の供給を行うことができる。

ここで、動力分配手段は、エンジンによって得られる動力を発電機及びヒートポンプ用圧縮機に分配する動力分配機構と、発電機の負荷及びヒートポンプ用圧縮機の負荷を調整する調整手段とを有することが好ましい。こうすると、動力分配手段を簡易な構成とすることができる。

また、外部電力を利用してヒートポンプ用圧縮機を駆動する圧縮機駆動手段を備えることが好ましい。こうすると、エンジンを運転してヒートポンプ用圧縮機を駆動し熱を得るよりも、商用電力等の外部電力を利用してヒートポンプ用圧縮機を駆動し熱を得る方が熱を得るコストが安い場合に、エンジンを休止し、外部電力を利用してヒートポンプ用圧縮機を駆動することが可能となり、運転コストの低減を図ることができる。

また、ヒートポンプ用圧縮機の駆動を停止し、エンジンで得られる動力を全て発電機に分配する圧縮機停止手段を備えることが好ましい。こうすると、熱需要は無く電力需要のみがある場合等に、エンジンによって得られる動力を全て発電機による発電に用いることが可能となり、効率よく発電を行うことができる。

また、外部電力を利用してヒートポンプ用圧縮機を駆動する圧縮機駆動手段と、ヒートポンプ用圧縮機の駆動を停止し、エンジンで得られる動力を全て発電機に分配する圧縮機停止手段と、必要熱量及び自家発電コストに基づいて運転モードを設定する運転モード設定手段と、を備え、運転モード設定手段は、少なくとも、エンジンによって得られる動力を発電機及びヒートポンプ用圧縮機に分配する第１運転モードと、圧縮機停止手段によってヒートポンプ用圧縮機の駆動を停止し、エンジンで得られる動力を全て発電機に分配する第２運転モードと、圧縮機駆動手段によって外部電力を利用してヒートポンプ圧縮機のみを駆動する第３運転モードとを設定することが可能であることが好ましい。こうすると、ユーザニーズ及びコストに基づいて、適切に運転モードを設定することができる。

本発明によれば、熱電比を連続的に変化させることで需要に応じ適切に電力及び熱の供給が行える定置型熱電併給システムを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る定置型熱電併給システムを示すブロック図である。図１に示す定置型熱電併給システムにおける遊星歯車を示す概略断面図である。図１に示す定置型熱電併給システムの動作を示すフローチャートである。図１に示す定置型熱電併給システムが第１運転モードによる運転をしているときの要部の動作を示す概略ブロック図である。図１に示す定置型熱電併給システムが第２運転モードによる運転をしているときの要部の動作を示す概略ブロック図である。図１に示す定置型熱電併給システムが第３運転モードによる運転をしているときの要部の動作を示す概略ブロック図である。本発明の第２実施形態に係る定置型熱電併給システムを示すブロック図である。図７に示す定置型熱電併給システムが第１運転モードによる運転をしているときの要部の動作を示す概略ブロック図である。図７に示す定置型熱電併給システムが第２運転モードによる運転をしているときの要部の動作を示す概略ブロック図である。図７に示す定置型熱電併給システムが第３運転モードによる運転をしているときの要部の動作を示す概略ブロック図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の定置型熱電併給システムの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る定置型熱電併給システムを示すブロック図である。

定置型熱電併給システム１Ａは、オフィスや住宅等に設置され、液体燃料や都市ガス等を燃料とするエンジンを運転することで、オフィスや住宅等に電力及び熱を供給するためのシステムである。この定置型熱電併給システム１Ａは、エンジン２、遊星歯車（動力分配機構）３、発電機４、モータ（圧縮機駆動手段）５、ヒートポンプ用圧縮機６、電力変換機構７、電力分配器８、凝縮器９、給湯装置１０、膨張弁１１、蒸発器１２、冷房装置１３、ＥＣＵ１４及びユーザコスト算出部１５を備えている。

エンジン２は、液体燃料や都市ガス等を燃焼して動力を得るためのものである。なお、このエンジン２は、単気筒であっても多気筒であっても良い。

遊星歯車３は、エンジン２によって得られる動力を発電機４及びヒートポンプ用圧縮機６に分配するためのものである。

図２は、図１に示す定置型熱電併給システムにおける遊星歯車を示す概略断面図である。

遊星歯車３は、リングギア３１、プラネタリキャリア３２及びサンギア３３を有している。リングギア３１はモータ５を介してヒートポンプ用圧縮機６に連結され（図１参照）、プラネタリキャリア３２はエンジン２に連結され、サンギア３３は発電機４に連結されている。そして、エンジン２によって得られる動力でプラネタリキャリア３２が回転され、この回転によってリングギア３１及びサンギア３３が回転されることで、エンジン２によって得られる動力が発電機４及びヒートポンプ用圧縮機６に分配される。

図１に戻り、発電機４は、エンジン２によって得られる動力で駆動し発電を行うためのものであり、発電した電力を電力変換機構７に供給する。

電力変換機構７は、発電機４で発電した電力を家庭用の交流電力に変換するためのＡＣ／ＤＣコンバータやインバータ等であり、変換した電力を電力分配器８に供給する。

電力分配器８は、発電機４で発電した電力を商用電力ラインＬ１及び家庭用電力ラインＬ２に分配するためのものである。商用電力ラインＬ１に分配された電力は電力会社等に供給されて売電され、家庭用電力ラインＬ２に分配された電力は定置型熱電併給システム１Ａが設置されたオフィスや住宅等の電気機器等に供給される。また、電力分配器８は、商用電力ラインＬ１から商用電力（外部電力）を取り込むことが可能であり、取り込んだ商用電力を電力変換機構７に供給する。

モータ５は、商用電力を利用してヒートポンプ用圧縮機６を駆動するためのものであり、電力変換機構７から供給される商用電力によって駆動する。モータ５によるヒートポンプ用圧縮機６の駆動は、例えば、このモータ５の回転子の動力を不図示の歯車機構によって遊星歯車３とヒートポンプ用圧縮機６とを連結するシャフト５１に伝達し、このシャフト５１を回転させることでヒートポンプ用圧縮機６を駆動しても良いし、また、例えば、シャフト５１を直接モータ５の回転子とし、このシャフト５１を回転させることでヒートポンプ用圧縮機６を駆動しても良い。

ヒートポンプ用圧縮機６は、凝縮器９、膨張弁１１及び蒸発器１２と共にヒートポンプを構成し、エンジン２によって得られる動力又はモータ５の駆動によって得られる動力で駆動して、このヒートポンプを流れる冷媒を圧縮する。

凝縮器９は、ヒートポンプ用圧縮機６によって圧縮されて高温の気体となった冷媒と、給湯装置１０に貯留された水との間で熱交換を行い、給湯装置１０に貯留された水を加熱する。また、給湯装置１０は、貯留された水を冷却水としてエンジン２に供給してエンジン２からの排熱を回収し、この排熱によって貯留された水を加熱する。このように、給湯装置１０は、ヒートポンプ用圧縮機６の駆動によって得られる熱、及び、エンジン２からの排熱を蓄熱する蓄熱手段として機能する。

膨張弁１１は、凝縮器９において熱を放出して中温の液体となった冷媒を膨張させる。蒸発器１２は、膨張弁１１によって膨張されて低温の液体となった冷媒と、冷房装置１１に取り込まれた空気との間で熱交換を行い、冷房装置１１に取り込まれた空気を冷却する。

ＥＣＵ１４は、定置型熱電併給システム１Ａ全体の制御を行うためのものであり、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを含むコンピュータを主体として構成されている。このＥＣＵ１４は、エンジン２、発電機４、モータ５、ヒートポンプ用圧縮機６、電力変換機構７、電力分配器８、凝縮器９、給湯装置１０、膨張弁１１、蒸発器１２及び冷房装置１３等と接続されている。

ＥＣＵ１４は、発電機４の負荷及びヒートポンプ用圧縮機６の負荷を調整することで、遊星歯車３から発電機４に分配する動力と、遊星歯車３からヒートポンプ用圧縮機６に分配する動力とを連続的に変化させることが可能となっている。発電器４の負荷及びヒートポンプ用圧縮機６の負荷の調整方法としては、例えば、ＥＣＵ１４からの信号に基づき、電力変換機構７にて発電機４及びモータ５の電気抵抗を変更することで、発電機４によって発電された電力の一部をモータ５に供給してモータ５を駆動し、この駆動によって得られる動力でモータ５に直結された圧縮機６の回転をアシストすることで、発電機４の負荷及びヒートポンプ用圧縮機６の負荷を調整する。このように、ＥＣＵ１４は、発電機４の負荷及びヒートポンプ用圧縮機６の負荷を調整する調整手段として機能する。そして、遊星歯車３及びＥＣＵ１４が、エンジン２によって得られる動力を発電機４及びヒートポンプ用圧縮機６に分配し、かつ、発電機４に分配する動力とヒートポンプ用圧縮機６に分配する動力とを連続的に変化させる動力分配手段として機能する。

また、ＥＣＵ１４は、モータ５の負荷又はヒートポンプ用圧縮機６の負荷を調整すること（モータ５の負荷又はヒートポンプ用圧縮機６の負荷を大きくすること）で、遊星歯車３からの動力によってモータ５及びヒートポンプ用圧縮機６が回転しないようにすることが可能となっている。このように、ＥＣＵ１４が、ヒートポンプ用圧縮機６の駆動を停止し、エンジン２で得られる動力を全て発電機４に分配する圧縮機停止手段として機能する。

また、ＥＣＵ１４は、定置型熱電併給システム１Ａに対して要求される電力量（電力要求）Ｅ_ｉｎ及び熱量（温度要求）Ｔ_ｉｎを読み込むことが可能となっている。この電力要求Ｅ_ｉｎ及び温度要求Ｔ_ｉｎは、ユーザがこれらを入力するための入力手段を設け、この入力手段によってユーザが直接入力しても良いし、定置型熱電併給システム１Ａにおける過去や現在の電量供給量及び熱供給量等から電力要求Ｅ_ｉｎ及び温度要求Ｔ_ｉｎを算出する算出手段を設け、この算出手段によって自動的に計算しても良い。そして、ＥＣＵ１４は、電力要求Ｅ_ｉｎ及び温度要求Ｔ_ｉｎに基づいて、必要発電量ｘ及び必要熱量ｙを算出し、さらにこれらに基づいて熱電比ｘ／ｙを算出することが可能となっている。

上述のように、この定置型熱電併給システム１Ａでは、ヒートポンプ用圧縮機６の駆動及びエンジン２からの排熱回収によって給湯装置１０に貯留された水を加熱することが可能となっている。ここで、必要熱量ｙが小さい場合には、ヒートポンプ用圧縮機６を駆動せず、エンジン２からの排熱回収のみで熱を供給する方がコスト的に有利な場合等がある。そこで、ＥＣＵ１４は、エンジン２を駆動するか否かを判定するためのエンジン駆動判定熱量ｙ_Ｅ、及び、ヒートポンプ用圧縮機６を駆動するか否かを判定するためのヒートポンプ駆動判定熱量ｙ_Ｈを記憶している。そして、ＥＣＵ１４は、必要熱量ｙ、駆動判定熱量ｙ_Ｅ及びヒートポンプ駆動判定熱量ｙ_Ｈと、後述する商用電力コストＡ_ｏｕｔ及び自家発電コストＡ_ｉｎとに基づいて、定置型熱電併給システム１Ａの運転モードを設定する運転モード設定手段として機能する。運転モードとしては、例えば、エンジン２によって得られる動力を発電機４及びヒートポンプ用圧縮機６に分配する第１運転モードと、ＥＣＵ１４によってヒートポンプ用圧縮機６の駆動を停止し、エンジン２で得られる動力を全て発電機４に分配する第２運転モードと、モータ５によって商用電力を利用してヒートポンプ圧縮機６のみを駆動する第３運転モードとを設定することが可能である。

ユーザコスト算出部１５は、定置型熱電併給システム１Ａを運転させるにあたりユーザが負担する自家発電コストＡ_ｉｎを算出するユーザコスト算出手段として機能する。このユーザコスト算出部１５は、外気温度Ｔ_ｏｕｔ、エンジン２が燃焼する燃料の料金、季節毎の時間帯による商用電力コストＡ_ｏｕｔ及び電力会社への売電料金等の外部環境状態を読み込むことが可能となっている。そして、ユーザコスト算出部１５は、外気温度Ｔ_ｏｕｔや燃料の料金等に基づいて自家発電コストＡ_ｉｎを算出する。

次に、定置型熱電併給システム１Ａの動作について説明する。

図３は、図１に示す定置型熱電併給システムの動作を示すフローチャートである。

定置型熱電併給システム１Ａの動作は、まず、ＥＣＵ１４が、定置型熱電併給システム１Ａが正常に運転するか否かを判定することから始まる（ステップＳ１０）。

ステップＳ１０で、定置型熱電併給システム１Ａが正常に運転すると判定された場合、ユーザコスト算出部１５は、外気温度Ｔ_ｏｕｔ、燃料の料金、商用電力コストＡ_ｏｕｔ及び売電料金等の外部環境状態を読み込んで自家発電コストＡ_ｉｎを算出し、この自家発電コストＡ_ｉｎを外部環境状態と共にＥＣＵ１４に送信する（ステップＳ１２）。

次に、ＥＣＵ１４は、電力要求Ｅ_ｉｎ及び温度要求Ｔ_ｉｎを読み込む（ステップＳ１４）。

次に、ＥＣＵ１４は、読み込んだ電力要求Ｅ_ｉｎ及び温度要求Ｔ_ｉｎに基づいて、必要発電量ｘ及び必要熱量ｙを算出する（ステップＳ１６）。

次に、ＥＣＵ１４は、算出した必要発電量ｘ及び必要熱量ｙに基づいて、熱電比ｘ／ｙを算出する（ステップＳ１８）。この熱電比ｘ／ｙによって、発電機４に分配する動力とヒートポンプ用圧縮機６に分配する動力とが決定される。

次に、ＥＣＵ１４は、定置型運転システム１Ａの運転モードの設定を行う（ステップＳ２０）。運転モードの設定は以下の手順に従って行う。

必要熱量ｙが下記式（１）を満たし、かつ、自家発電コストＡ_ｉｎが下記式（２）を満たす場合、ＥＣＵ１４は運転モードを第１運転モードと設定する。すなわち、第１運転モードは、必要熱量ｙがエンジン駆動判定熱量ｙ_Ｅ及びヒートポンプ駆動判定熱量ｙ_Ｈの合計よりも大きく、かつ、自家発電コストＡ_ｉｎが商用電力コストＡ_ｏｕｔよりも安いため、エンジン２を駆動して発電機４及びヒートポンプ用圧縮機６を駆動し、発電を行うと共にヒートポンプ用圧縮機６の駆動及びエンジン２からの排熱回収により熱を供給する場合である。
ｙ＞ｙ_Ｅ＋ｙ_Ｈ…（１）
Ａ_ｏｕｔ＞Ａ_ｉｎ…（２）

必要熱量ｙが下記式（３）及び下記式（４）を満たし、かつ、自家発電コストＡ_ｉｎが上記式（２）を満たす場合、ＥＣＵ１４は運転モードを第２運転モードと設定する。すなわち、第２運転モードは、必要熱量ｙがエンジン駆動判定熱量ｙ_Ｅ及びヒートポンプ駆動判定熱量ｙ_Ｈの合計よりは小さいがエンジン駆動判定熱量ｙ_Ｅよりは大きく、かつ、自家発電コストＡ_ｉｎが商用電力コストＡ_ｏｕｔよりも安いため、エンジン２を駆動して発電機４のみを駆動し発電を行うと共に、エンジン２からの排熱回収のみにより熱を供給する場合である。
ｙ＜ｙ_Ｅ＋ｙ_Ｈ…（３）
ｙ＞ｙ_Ｅ…（４）

必要熱量ｙが下記式（５）を満たし、かつ、自家発電コストＡ_ｉｎが下記式（６）を満たす場合、ＥＣＵ１４は運転モードを第３運転モードと設定する。すなわち、第３運転モードは、必要熱量ｙが存在し、かつ、商用電力コストＡ_ｏｕｔが自家発電コストＡ_ｉｎよりも安いため、エンジン２を停止して発電機４による発電を行わず、商用電力を利用してヒートポンプ用圧縮機６を駆動し熱を供給する場合である。
ｙ＞０…（５）
Ａ_ｏｕｔ＜Ａ_ｉｎ…（６）

必要熱量ｙが下記式（７）を満たし、かつ、自家発電コストＡ_ｉｎが上記式（６）を満たす場合、ＥＣＵ１４は運転モードを第４運転モードと設定する。すなわち、第４運転モードは、必要熱量ｙが無く、かつ、商用電力コストＡ_ｏｕｔが自家発電コストＡ_ｉｎよりも安いため、エンジン２、発電機４及びヒートポンプ用圧縮機６の全てを停止する場合である。
ｙ＝０…（７）

次に、ＥＣＵ１４は、ステップＳ２０で設定した運転モードが第１〜第３運転モードのいずれかに該当するか否かを判定する（ステップＳ２２）。

ステップＳ２２で、運転モードが第１〜第３運転モードのいずれかに該当すると判定された場合、ＥＣＵ１４は各要素に信号を送信し、定置型熱電併給システム１ＡはステップＳ２０で設定された運転モードに応じた運転処理を実行する（ステップＳ２４）。

ここで、図４〜図６は、図１に示す定置型熱電併給システムが、それぞれ第１〜第３運転モードによる運転をしているときの要部の動作を示す概略ブロック図である。また、表１は、各運転モードにおける要部の稼動状況を示している。

図４及び表１に示すように、第１運転モードでは、エンジン２が駆動し、このエンジン２によって得られる動力が遊星歯車３によって発電機４及びヒートポンプ用圧縮機６に分配され、これらの分配された動力によって発電機４及びヒートポンプ用圧縮機６が駆動する。

この際、ステップＳ１８で決定された熱電比ｘ／ｙに応じて、ＥＣＵ１４によって発電機４及びモータ５の負荷（電気抵抗）が調整される。そして、発電機４で発電された電力は電力変換機構７を介して一部がモータ５に、残りが電力分配器８に供給され、電力分配器８に供給された電力の一部は電力要求Ｅ_ｉｎに応じて家庭用電力ラインＬ２に供給され、残りの電力は商用電力ラインＬ１に供給される。

図５及び表１に示すように、第２運転モードでは、エンジン２が駆動し、このエンジン２によって得られる動力が遊星歯車３によって発電機４に伝達され、この動力によって発電機４が駆動する。

この際、ＥＣＵ１４によって、モータ５の負荷又はヒートポンプ用圧縮機６の負荷が、モータ５及びヒートポンプ用圧縮機６が回転しないように大きくされ、これによってヒートポンプ用圧縮機６は停止し、エンジン２で得られる動力が全て発電機４に分配される。そして、発電機４で発電された電力は電力変換機構７を介して電力分配器８に供給され、この電力の一部は電力要求Ｅ_ｉｎに応じて家庭用電力ラインＬ２に供給され、残りの電力は商用電力ラインＬ１に供給される。

図６及び表１に示すように、第３運転モードでは、エンジン２は停止し、商用電力によってモータ５が駆動してヒートポンプ用圧縮機６が駆動する。

この際、発電機４は、ＥＣＵ１４によって負荷が調整され空転するようになっており、これによってエンジン２が回転しないようになっている。

そして、定置型熱電併給システム１Ａの一連の動作が終了する。

図３に戻り、ステップＳ１０で、定置型熱電併給システム１Ａが正常に運転しないと判定された場合、すなわち、定置型熱電併給システム１Ａに異常や故障が存在する場合、ＥＣＵ１４はその対応を実行する（ステップＳ２６）。対応は、異常や故障の内容をモニタに表示すること等により実行する。

次に、ＥＣＵ１４は、ユーザから定置型熱電併給システム１Ａの停止入力があるか否かを判定する（ステップＳ２８）。

ステップＳ２８で、ユーザから停止入力があると判定された場合、ＥＣＵ１４は、各要素に信号を送信し、定置型熱電併給システム１Ａを停止する（ステップＳ３０）。また、同様に、ステップＳ２２で、運転モードが第１〜第３運転モードのいずれかに該当しないと判定された場合、すなわち、運転モードが第４運転モードに該当する場合、ＥＣＵ１４はステップＳ３０を実行する。そして、定置型熱電併給システム１Ａの一連の動作が終了する。

ステップＳ２８で、ユーザから停止入力がないと判定された場合、定置型熱電併給システム１Ａの一連の動作は終了する。

このように、定置型熱電併給システム１Ａでは、エンジン２を運転することによって動力が得られ、この動力が遊星歯車３によって発電機４及びヒートポンプ用圧縮機６に分配され、これら分配された動力によって発電機４及びヒートポンプ用圧縮機６が駆動する。エンジン２によって得られた動力が遊星歯車３によって発電機４及びヒートポンプ用圧縮機６に分配される際、ＥＣＵ１４が発電機４の負荷及びヒートポンプ用圧縮機６の負荷を調整することによって、発電機４に分配される動力と、ヒートポンプ用圧縮機６に分配される動力とを連続的に変化させることができるため、発電機４で得られる電力量と、ヒートポンプ用圧縮機６、凝縮器９、膨張弁１１及び蒸発器１２から成るヒートポンプで得られる熱量とを連続的に変化させることができる。従って、発電機４で得られる電力量と、ヒートポンプで得られる熱量との比である熱電比を連続的に変化させることで需要に応じ適切に電力及び熱の供給を行うことができる。

また、定置型熱電併給システム１Ａでは、動力分配手段は、エンジン２によって得られる動力を発電機４及びヒートポンプ用圧縮機６に分配する遊星歯車３と、発電機４の負荷及びヒートポンプ用圧縮機６の負荷を調整するＥＣＵ１４とを有して構成されているため、動力分配手段を簡易な構成とすることができる。

また、定置型熱電併給システム１Ａは、商用電力を利用してヒートポンプ用圧縮機６を駆動するモータ５を備えているため、エンジン２を運転してヒートポンプ用圧縮機６を駆動し熱を得るよりも、商用電力を利用してヒートポンプ用圧縮機６を駆動し熱を得る方が熱を得るコストが安い場合に、エンジン２を休止し、商用電力を利用してヒートポンプ用圧縮機６を駆動することが可能となり、運転コストの低減を図ることができる。

また、定置型熱電併給システム１Ａは、モータ５の負荷又はヒートポンプ用圧縮機６の負荷を調整することでヒートポンプ用圧縮機６の駆動を停止し、エンジン２で得られる動力を全て発電機４に分配するＥＣＵ１４を備えているため、必要熱量ｙは無く必要発電量ｘのみがある場合や、必要熱量ｙを給湯装置１０によるエンジン２からの排熱回収のみによって供給できる場合等に、エンジン２によって得られる動力を全て発電機４による発電に用いることが可能となり、効率よく発電を行うことができる。

また、定置型熱電併給システム１Ａは、外部環境状態を読み込んで自家発電コストＡ_ｉｎを算出するユーザコスト算出部１５と、必要熱量ｙ、駆動判定熱量ｙ_Ｅ、ヒートポンプ駆動判定熱量ｙ_Ｈ、商用電力コストＡ_ｏｕｔ及び自家発電コストＡ_ｉｎに基づいて、定置型熱電併給システム１Ａの運転モードを設定するＥＣＵ１４とを備えているため、外部環境、ユーザニーズ及び総合効率に応じてユーザが負担するコストを算出し、適切に運転モードを設定することができる。

次に、本発明の第２実施形態に係る定置型熱電併給システムについて説明する。

図７は、本発明の第２実施形態に係る定置型熱電併給システムを示すブロック図である。

定置型熱電併給システム１Ｂが、図１に示す第１実施形態に係る定置型熱電併給システム１Ａと異なる点は、モータ５を備えておらず、エンジン２と遊星歯車３との間にクラッチ機構１６を備えている点である。

クラッチ機構１６は、エンジン２と遊星歯車３とを連結及び切断するためのものである。クラッチ機構１６を連結するとエンジン２によって得られる動力が遊星歯車３に伝達され、クラッチ機構１６を切断するとエンジン２と遊星歯車３との間の動力伝達が遮断される。クラッチ機構１６の連結及び切断は、ＥＣＵ１４によって制御される。

ここで、定置型熱電併給システム１Ｂでは、発電機４は、電力変換機構７から商用電力が供給されるとモータとして駆動する。そして、商用電力によって発電機４をモータとして駆動し、かつ、クラッチ機構１６を切断することで、発電機４の駆動による動力をヒートポンプ用圧縮機６のみに伝達し、ヒートポンプ用圧縮機６を駆動することが可能となっている。このように、発電機４及びクラッチ機構１６が、商用電力を利用してヒートポンプ用圧縮機６を駆動する圧縮機駆動手段として機能する。

このような定置型熱電併給システム１Ｂは、第１実施形態に係る定置型熱電併給システム１Ａと同様に、図３のフローチャートに従い動作する。

ここで、定置型熱電併給システム１Ｂが、ステップＳ２４の運転モードに応じた運転処理を実行する場合について説明する。

図８〜図１０は、図７に示す定置型熱電併給システムが、それぞれ第１〜第３運転モードによる運転をしているときの要部の動作を示す概略ブロック図である。また、表２は、各運転モードにおける要部の稼動状況を示している。

図８及び表２に示すように、第１運転モードでは、エンジン２が駆動し、このエンジン２によって得られる動力が、連結されたクラッチ機構１６を介して遊星歯車３に伝達される。そして、この動力が遊星歯車３によって発電機４及びヒートポンプ用圧縮機６に分配され、これらの分配された動力によって発電機４及びヒートポンプ用圧縮機６が駆動する。

この際、ステップＳ１８で決定された熱電比ｘ／ｙに応じて、ＥＣＵ１４によって発電機４の負荷及びヒートポンプ用圧縮機６の負荷が調整される。そして、発電機４で発電された電力は電力変換機構７を介して電力分配器８に供給され、この電力の一部は電力要求Ｅ_ｉｎに応じて家庭用電力ラインＬ２に供給され、残りの電力は商用電力ラインＬ１に供給される。

図９及び表２に示すように、第２運転モードでは、エンジン２が駆動し、このエンジン２によって得られる動力が、連結されたクラッチ機構１６を介して遊星歯車３に伝達される。そして、この動力が遊星歯車３によって発電機４に伝達され、この動力によって発電機４が駆動する。

この際、ＥＣＵ１４によって、ヒートポンプ用圧縮機６の負荷が、ヒートポンプ用圧縮機６が回転しないように大きくされ、これによってヒートポンプ用圧縮機６は停止し、エンジン２で得られる動力が全て発電機４に分配される。そして、発電機４で発電された電力は電力変換機構７を介して電力分配器８に供給され、この電力の一部は電力要求Ｅ_ｉｎに応じて家庭用電力ラインＬ２に供給され、残りの電力は商用電力ラインＬ１に供給される。

図１０及び表２に示すように、第３運転モードでは、エンジン２は停止し、商用電力によって発電機４がモータとして駆動する。そして、この駆動による動力が遊星歯車３によってヒートポンプ用圧縮機６に伝達され、この動力によってヒートポンプ用圧縮機６が駆動する。

この際、クラッチ機構１６は切断され、これによってエンジン２が回転しないようになっている。

このような定置型熱電併給システム１Ｂが、第１実施形態に係る定置型熱電併給システム１Ａと同様の効果を奏することは言うまでもない。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、動力分配機構として遊星歯車３が用いられているが、これに代えて、エンジン２で得られる動力を２軸に分配する機構を設け、この２軸をそれぞれＣＶＴ（Continuously Variable Transmission）に接続して動力分配機構とし、これら２個のＣＶＴをＥＣＵ１４で制御するようにして動力分配手段としても良い。

また、上記実施形態では、凝縮器９を給湯装置１０に接続し、蒸発器１２を冷房装置１３に接続しているが、これに代えて、凝縮器９を暖房装置に接続し、蒸発器１２を暖房装置の室外機に接続しても良い。

また、上記実施形態において、太陽光の熱を吸収する太陽光熱吸収手段を設けて給湯装置１０に接続し、この太陽光熱吸収手段によって吸収した熱によって給湯装置１０に貯留された水を加熱できるようにしても良い。こうすると、エンジン２で燃焼する燃料を低減することが可能となり、ＣＯ_２の排出量の削減を図ることができる。

また、上記実施形態において、太陽光発電装置や蓄電装置等を設けて電力変換機構７に接続し、この太陽光発電装置や蓄電装置等から供給される電力を外部電力として利用しても良い。こうすると、エンジン２で燃焼する燃料を低減することが可能となり、ＣＯ_２の排出量の削減を図ることができると共に、太陽光発電装置で得た電力を電力会社に売電することができる。また、発電機４や太陽光発電装置で得られた電力を蓄電装置に蓄電することができる。

１Ａ，１Ｂ…定置型熱電併給システム、２…エンジン、３…遊星歯車、４…発電機、５…モータ、６…ヒートポンプ用圧縮機、１４…ＥＣＵ、１６…クラッチ機構。

Claims

エンジンと、
前記エンジンによって得られる動力で駆動する発電機と、
前記エンジンによって得られる動力で駆動するヒートポンプ用圧縮機と、
前記エンジンによって得られる動力を前記発電機及び前記ヒートポンプ用圧縮機に分配し、かつ、前記発電機に分配する動力と前記ヒートポンプ用圧縮機に分配する動力とを連続的に変化させることが可能な動力分配手段と、
外部電力を利用して前記ヒートポンプ用圧縮機を駆動する圧縮機駆動手段と、
前記ヒートポンプ用圧縮機の駆動を停止し、前記エンジンで得られる動力を全て前記発電機に分配する圧縮機停止手段と、
必要熱量及び自家発電コストに基づいて運転モードを設定する運転モード設定手段と、
を備え、
前記運転モード設定手段は、少なくとも、前記エンジンによって得られる動力を前記発電機及び前記ヒートポンプ用圧縮機に分配する第１運転モードと、前記圧縮機停止手段によって前記ヒートポンプ用圧縮機の駆動を停止し、前記エンジンで得られる動力を全て前記発電機に分配する第２運転モードと、圧縮機駆動手段によって外部電力を利用して前記ヒートポンプ用圧縮機のみを駆動する第３運転モードとを設定することが可能である、
定置型熱電併給システム。
前記動力分配手段は、
前記エンジンによって得られる動力を前記発電機及び前記ヒートポンプ用圧縮機に分配する動力分配機構と、
前記発電機の負荷及び前記ヒートポンプ用圧縮機の負荷を調整する調整手段と、を有する、
請求項１に記載の定置型熱電併給システム。