JP6184888B2 - コージェネレーションユニットを備えたコージェネレーションシステム - Google Patents

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Description

本発明の実施の形態は、コージェネレーションユニット、これを備えたコージェネレーションシステム、および電力エネルギ管理装置に関する。
近年、地球温暖化が大きな話題となり、二酸化炭素排出量に注目が集まっている中、省エネ性に優れたコージェネレーションユニットの普及が加速している。家庭用の小容量コージェネレーションユニットとしては、都市ガス、LPGなどを原燃料とする燃料電池発電ユニットや、ガスエンジンユニットが挙げられるが、このうち燃料電池発電ユニットの方がガスエンジン発電ユニットよりも環境性に優ることから普及が進んでいる。燃料電池発電ユニットは、原燃料から水素を取り出して空気中の酸素と反応させて電力を発生させるユニットであり、発電すると同時に発生する熱を回収し、回収した熱を給湯として利用することで、高いエネルギ効率を達成可能な省エネルギ発電ユニットである。
また近年は、家庭用の太陽光発電ユニットの普及が広く進んでいる。この太陽光発電ユニットと上述した燃料電池発電ユニットの2つの発電ユニットが一つの家屋に設置される、いわゆるW発電を行う場合が増大している。それに加え、夜間電力を蓄えて昼に使用して昼間の電力使用量を削減するピークカットや、万一の停電時に備えておくことを目的として蓄電池ユニットの普及も進み始めている。
一つの家屋に上述したような複数の発電ユニットや蓄電池ユニットを設置する場合、これらのユニットは電力エネルギ管理装置(HEMS管理装置、HEMS:Home Energy Management System)によって電力管理され、家庭内の総合的な電力エネルギ管理が行われる。
家庭用コージェネレーションユニットとしての上述した燃料電池発電ユニットにおいては、電力需要および熱需要を予測して燃料電池を効率良く運用することが考案されている。これは、「学習制御」と称されており、各メーカが独自の制御方法を取り入れて製品化されている。
特開2002−298887号公報 特開2001−258293号公報 特開2007−306661号公報
しかしながら、これら複数の発電ユニットや蓄電池ユニットを設置した場合、電力の管理を適切に行わないとエネルギの無駄が生じ、結果的に省エネ効果が低くなるという課題がある。例えば、熱エネルギを発生する燃料電池発電ユニットを含む組み合わせの場合を考えると、HEMS管理装置は、各発電ユニットの発電量や負荷での消費電力量のいわゆる「見える化」や電力管理を行うが、燃料電池発電ユニットの熱エネルギ管理は行わない。このため、各発電ユニットの電力管理を適切に行うことが困難になり、熱エネルギ利用効率の低下を招いて、上述した燃料電池発電ユニットのメリットが損なわれ得るという課題があった。
本発明が解決しようとする課題は、電力エネルギ管理装置の管理下においてもコージェネレーションユニットの熱エネルギ利用効率の低下を抑制できるコージェネレーションユニット、これを備えたコージェネレーションシステム、および電力エネルギ管理装置を提供することである。
実施の形態によるコージェネレーションユニットは、太陽光発電ユニットまたは蓄電池ユニットと共に電力エネルギ管理装置によって電力管理される。このコージェネレーションユニットは、電力および熱を発生するコージェネレーションユニット本体と、コージェネレーションユニット本体の発電量を調整する発電量調整装置と、発電量調整装置において調整されるべき発電量を指示するユニット制御装置と、を備えている。ユニット制御装置は、過去の電力需要と過去の熱需要とを学習して需要予測を行い、この需要予測に基づく発電指示量を含む学習制御信号を作成する学習制御信号作成部を有している。学習制御信号作成部により作成された学習制御信号と、電力エネルギ管理装置により作成される発電指示量を含む管理制御信号とのうちのいずれか一方の信号が、発電量調整装置により選択されて発電量調整装置に送信される。
第1の実施の形態におけるコージェネレーションシステムを示す概略図である。 図1のコージェネレーションシステムにおける燃料電池制御装置の構成を示し概略図である。 第2の実施の形態におけるコージェネレーションシステムを示す概略図である。 第3の実施の形態におけるコージェネレーションシステムを示す概略図である。 第4の実施の形態において、燃料電池制御装置の構成を示す概略図である。 第5の実施の形態において、HEMS管理装置の構成を示す概略図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態におけるコージェネレーションユニット、これを備えたコージェネレーションシステム、および電力エネルギ管理装置について説明する。
(第1の実施の形態)
まず、本発明の第1の実施の形態におけるコージェネレーションユニット、これを備えたコージェネレーションシステム、および電力エネルギ管理装置について、図1および図2を用いて説明する。
図1に示すように、コージェネレーションシステム1は、燃料電池発電ユニット10(コージェネレーションユニット)と、太陽光発電ユニット40と、蓄電池ユニット50と、HEMS管理装置60(電力エネルギ管理装置)と、を備えている。このうちHEMS管理装置60は、燃料電池発電ユニット10、太陽光発電ユニット40および蓄電池ユニット50を電力管理するためのものである。ここではまず、燃料電池発電ユニット10について説明する。本実施の形態における燃料電池発電ユニット10は、上述したように、太陽光発電ユニット40および蓄電池ユニット50と共にHEMS管理装置60によって電力管理される。
燃料電池発電ユニット10は、原燃料(都市ガスなど)が供給されて水素リッチなガスを生成する改質器11と、改質器11において生成された水素リッチなガスと、酸化剤ガスとしての酸素を含む空気とが供給されて、電力および熱を発生する燃料電池スタック12(コージェネレーションユニット本体)と、を有している。なお、空気は、燃料電池スタック12に供給されるが、改質器11にも供給されるようになっている。
燃料電池スタック12の負荷100側には、インバータ13(発電量調整装置)が接続されている。インバータ13は、負荷100および商用電力系統110に接続されている。このことにより、インバータ13は、燃料電池スタック12から発生する直流電力を交流電力に変換して、負荷100および商用電力系統110に供給する。また、本実施の形態においては、インバータ13は、燃料電池スタック12から発生する発電量を調整するように構成されている。すなわち、インバータ13は、燃料電池スタック12から発生する電力量を調整して交流電力に変換する。
インバータ13から供給される電力は、2つの電力需要センサ14a、14bによって検出される。一方の電力需要センサ14aは、後述する第1系統ライン61aのうちの第2接続点62bよりインバータ13の側の部分に設けられ、他方の電力需要センサ14bは、第1系統ライン61aのうちの第1接続点62aと第3接続点62cとの間の部分に設けられている。これらの電力需要センサ14a、14bにより検出された電力量は、図示しない記憶部に記憶されて、後述する電力需要32として燃料電池発電ユニット10の学習制御に利用される。なお、電力需要センサ14a、14bを、電流を計測する電流センサとして構成し、電力量信号として電流信号をインバータ13に送信し、インバータ13において電流信号を電力量信号に変換するようにしてもよい。
一方、燃料電池発電ユニット10は、燃料電池スタック12において発生して排出された熱を回収して利用するようになっている。すなわち、燃料電池発電ユニット10は、第1排熱回収ライン22と、第1排熱回収ライン22に接続された熱利用ユニット20と、を有している。本実施の形態においては、熱利用ユニット20は、貯湯タンク21を含んでいる例を示している。なお、熱利用ユニット20は、貯湯タンク21を含む場合に限られることはなく、具体的な構成は任意とすることができる。
貯湯タンク21内の水は、燃料電池スタック12から発生した熱を利用して加熱される。第1排熱回収ライン22には、排ガス熱交換器23、スタック熱交換器24および循環ポンプ25が設けられている。このうち循環ポンプ25によって、第1排熱回収水が第1排熱回収ライン22を循環する。
貯湯タンク21から排出された第1排熱回収水は、まず、排ガス熱交換器23に供給されて、改質器11等から排出された排ガスによって加熱される。続いて、第1排熱回収水はスタック熱交換器24に供給されて、燃料電池スタック12から排出された熱によって加熱される。すなわち、スタック熱交換器24と燃料電池スタック12とは、第2排熱回収ライン26によって接続されており、スタック熱交換器24から燃料電池スタック12に供給された第2排熱回収水が、燃料電池スタック12において発生した熱によって加熱される。加熱された第2排熱回収水は、スタック熱交換器24に戻されて、第1排熱回収ライン22を流れる第1排熱回収水を加熱する。
なお、上述した排熱回収系統や熱交換器の構成、個数などは、一例であって、上述した構成に限られることはない。
スタック熱交換器24によって加熱された第1排熱回収水は貯湯タンク21に供給されて、貯湯タンク21に貯留された水を加熱する。貯湯タンク21において加熱されて高温となった温水が、家庭内の各所に供給されてお湯として利用される。
貯湯タンク21から家庭内の各所に供給される温水の流量は、温水流量センサ27によって検出される。検出された温水の流量は、図示しない記憶部に記憶されて、後述する熱需要33として燃料電池発電ユニット10の学習制御に利用される。
燃料電池発電ユニット10は、インバータ13において調整されるべき発電量を指示するように当該インバータ13を制御する燃料電池制御装置30(ユニット制御装置)を更に有している。この燃料電池制御装置30は、上述した電力需要32と熱需要33とに基づいて、インバータ13において調整されるべき発電量を指示するとともに、当該発電量に応じて、上述した改質器11に供給される原燃料の流量と、燃料電池スタック12に供給される空気の流量とを制御するように構成されている。
次に、太陽光発電ユニット40について説明する。
太陽光発電ユニット40は、負荷100および商用電力系統110に接続されており、日射量に応じて発電効率を高めるように発電を行っている。すなわち、太陽光発電ユニット40は、太陽光発電制御装置41を有しており、この太陽光発電制御装置41が最大電力点追従制御を行い、太陽光発電ユニット40の発電効率を高めている。
次に、蓄電池ユニット50について説明する。
蓄電池ユニット50は、負荷100および商用電力系統110に接続されており、図示しない操作端末においてユーザが設定した充電時間および放電時間、あるいは、HEMS管理装置60からの指示に応じて、電力の充電および放電を行う。すなわち、蓄電池ユニット50は、蓄電池制御装置51を有しており、この蓄電池制御装置51が、電力の充電および放電を行うように構成されている。
放電中は、以下(数式1)および(数式2)に示すように、燃料電池発電ユニット10の運転状態に応じて、負荷100が消費する消費電力量と、燃料電池発電ユニット10が消費する電力量または発電する電力量との合計値以下となるように、放電電力量が決定される。これは、燃料電池発電ユニット10と蓄電池ユニット50とが、商用電力系統110に対して電力を逆潮流させることが系統連系規定によって禁止されているためである。なお、(数式1)における燃料電池発電ユニット10の発電量は、燃料電池発電ユニット10の消費電力量が差し引かれた電力量を意味している。
(数式1)燃料電池発電ユニット10が運転中の場合
(蓄電池ユニット50の放電電力量)
≦(負荷100の消費電力量)−(燃料電池発電ユニット10の発電量)
(数式2)燃料電池発電ユニット10が停止中の場合
(蓄電池ユニット50の放電電力量)
≦(負荷100の消費電力量)+(燃料電池発電ユニット10の消費電力量)
次に、HEMS管理装置60について説明する。
HEMS管理装置60は、各発電ユニット10、40の発電量、蓄電池ユニット50の充電電力量または放電電力量、負荷100の消費電力量、および商用電力系統110との接続点(受電点)における電力量を監視している。
より具体的には、燃料電池発電ユニット10のインバータ13から延びる第1系統ライン61aが、商用電力系統110に接続されている。この第1系統ライン61aに、第1電力センサ63aが設けられており、第1電力センサ63aは、燃料電池発電ユニット10から供給される電力量を検出して第1電力量信号64aをHEMS管理装置60に送信する。なお、第1電力センサ63aを、電流を計測する電流センサとして構成し、第1電力量信号64aとして電流信号をHEMS管理装置60に送信し、HEMS管理装置60において電流信号を電力量信号に変換するようにしてもよい。あるいは、燃料電池発電ユニット10内に設置された電力需要センサ14aにより計測された値を通信経由でHEMS管理装置60に伝送して使用することも可能である。
太陽光発電ユニット40から延びる第2系統ライン61bは、第1系統ライン61aの途中位置(第1接続点62a)に接続されており、この第2系統ライン61bに、第2電力センサ63bが設けられている。第2電力センサ63bは、太陽光発電ユニット40から供給される電力量を検出して第2電力量信号64bをHEMS管理装置60に送信する。なお、第2電力センサ63bを、電流を計測する電流センサとして構成し、第2電力量信号64bとして電流信号をHEMS管理装置60に送信し、HEMS管理装置60において電流信号を電力量信号に変換するようにしてもよい。あるいは、太陽光発電ユニット40内に設置された図示しない電力需要センサにより計測された値を通信経由でHEMS管理装置60に伝送して使用することも可能である。
蓄電池ユニット50から延びる第3系統ライン61cは、第1系統ライン61aのうち第1接続点62aより燃料電池発電ユニット10の側の途中位置(第2接続点62b)に接続されており、この第3系統ライン61cに、第3電力センサ63cが設けられている。第3電力センサ63cは、蓄電池ユニット50の充電電力量または放電電力量を検出し第3電力量信号64cをHEMS管理装置60に送信する。なお、第3電力センサ63cを、電流を計測する電流センサとして構成し、第3電力量信号64cとして電流信号をHEMS管理装置60に送信し、HEMS管理装置60において電流信号を電力量信号に変換するようにしてもよい。あるいは、蓄電池ユニット50内に設置された図示しない電力需要センサにより計測された値を通信経由でHEMS管理装置60に伝送して使用することも可能である。
第1系統ライン61aのうち第1接続点62aと第2接続点62bとの間の途中位置(第3接続点62c)から、第4系統ライン61dが延びて負荷100に接続されている。この第4系統ライン61dに第4電力センサ63dが設けられており、第4電力センサ63dが、負荷100の消費電力量を検出して第4電力量信号64dをHEMS管理装置60に送信する。なお、第4電力センサ63dを、電流を計測する電流センサとして構成し、第4電力量信号64dとして電流信号をHEMS管理装置60に送信し、HEMS管理装置60において電流信号を電力量信号に変換するようにしてもよい。
第1系統ライン61aのうち第1接続点62aより商用電力系統110の側の部分に、第5電力センサ63eが設けられている。この第5電力センサ63eは、商用電力系統110との受電点における電力量を検出して第5電力量信号64eをHEMS管理装置60に送信する。なお、第5電力センサ63eを、電流を計測する電流センサとして構成し、第5電力量信号64eとして電流信号をHEMS管理装置60に送信し、HEMS管理装置60において電流信号を電力量信号に変換するようにしてもよい。
このように、各電力センサ63a〜63eによって検出された電力量は、電力量信号64a〜64eとしてHEMS管理装置60に送信され、HEMS管理装置60は、各電力量を、図示しないディスプレイにモニタリングして、いわゆる「見える化」している。
一方、HEMS管理装置60は、各電力を管理しながら、各発電ユニット10、40および蓄電池ユニット50の運転制御を行う。より具体的には、HEMS管理装置60は、燃料電池発電ユニット10の燃料電池制御装置30に、第1管理制御信号71(管理制御信号)を送信し、燃料電池発電ユニット10の運転、停止指示、および上述したインバータ13において調整されるべき発電量の指示を行う。また、HEMS管理装置60は、太陽光発電制御装置41に、発電停止指示を行うための第2管理制御信号72を送信し、蓄電池制御装置51には、充電、放電指示、および充電電力量若しくは放電電力量の指示を行うための第3管理制御信号73を送信する。ここで、これら各管理制御信号71〜73は、燃料電池発電ユニット10、太陽光発電ユニット40および蓄電池ユニット50における総合的な電力エネルギの利用効率を向上させるためにHEMS管理装置60により作成される信号である。
さらに、HEMS管理装置60は、上述した燃料電池発電ユニット10および蓄電池ユニット50の逆潮流を防止する逆潮流防止機能を有している。より具体的には、第1系統ライン61aのうち第1接続点62aと第3接続点62cとの間の部分に、逆潮流防止用センサ65が設けられており、HEMS管理装置60は、逆潮流防止用センサ65により検出された電力に基づいて、燃料電池発電ユニット10と蓄電池ユニット50とが逆潮流するおそれがあるか否かを判断する。そして、HEMS管理装置60は、逆潮流するおそれがあると判断した場合には、燃料電池発電ユニット10の運転停止の指示および蓄電池ユニット50の放電停止の指示うちの少なくとも一方の指示を行う。燃料電池発電ユニット10の運転停止の指示を行う場合には、燃料電池制御装置30に第1管理制御信号71が送信され、蓄電池ユニット50の放電停止の指示を行う場合には、蓄電池制御装置51に第3管理制御信号73が送信される。ここで、逆潮流防止用センサ65の代わりに、燃料電池発電ユニット10の電力需要センサ14b、または蓄電池ユニット50の図示しない電力需要センサを用いることも可能である。
なお、本実施の形態においては、負荷100が接続された第3接続点62cが、蓄電池ユニット50が接続された第2接続点62bより系統110の側に設けられている。しかしながら、このことに限られることはなく、第2接続点62bおよび第3接続点62cの両方が、電力需要センサ14bおよび逆潮流防止用センサ65より系統110とは反対側(燃料電池発電ユニット10の側、下流側)に設けられていれば、第3接続点62cは、第2接続点62bより系統110とは反対側に設けられるようにしてもよい。
このようにして構成されたコージェネレーションシステム1において、燃料電池発電ユニット10の燃料電池制御装置30は、以下のように構成されている。
燃料電池制御装置30は、図2に示すように、電力需要32と熱需要33とを学習して発電指示量を含む学習制御信号34を作成する学習制御信号作成部31と、この学習制御信号34と、HEMS管理装置60から送信される第1管理制御信号71とのうちのいずれか一方の信号を選択する信号選択送信部35と、を含んでいる。
このうち学習制御信号作成部31は、上述した記憶部に記憶された過去の電力需要32と過去の熱需要33とを学習して今後の需要予測を行い、この需要予測に基づいてインバータ13に指示される発電指示量を演算し、演算された発電指示量を含む学習制御信号34を作成する。作成された学習制御信号34に含まれる発電指示量は、需要予測に対して電力エネルギと熱エネルギとの合計が最も省エネルギとなるように演算される。そして、学習制御信号作成部31は、演算された発電指示量を含む学習制御信号34を作成し、信号選択送信部35に送信する。
信号選択送信部35には、学習制御信号作成部31により作成された学習制御信号34とともに、HEMS管理装置60から第1管理制御信号71が送信される。上述したように、第1管理制御信号71は、HEMS管理装置60により作成されるものであるため、燃料電池発電ユニット10における熱エネルギの有効利用については考慮されていない。
そして、信号選択送信部35は、上述した学習制御信号34と第1管理制御信号71とのうちのいずれか一方の信号を選択してインバータ13に送信する。インバータ13は、受信した信号に基づいて、燃料電池スタック12の発電量を調整する。具体的には、信号選択送信部35が学習制御信号34を選択してインバータ13に送信した場合には、燃料電池スタック12は、熱エネルギを優先した運転(熱エネルギ優先モード)を行い、燃料電池発電ユニット10の熱エネルギと電力エネルギとを利用して燃料電池発電ユニット10のエネルギ利用効率を向上させる運転を行うことができる。一方、信号選択送信部35が第1管理制御信号71を選択してインバータ13に送信した場合には、燃料電池スタック12は、電力エネルギを優先した運転(電力エネルギ優先モード)を行い、燃料電池発電ユニット10、太陽光発電ユニット40および蓄電池ユニット50における総合的な電力エネルギの利用効率を向上させる運転を行うことができる。
ところで、図1に示すように、HEMS管理装置60は、燃料電池制御装置30の信号選択送信部35においていずれの信号が選択されるべきかを設定する選択信号設定部81を有している。選択信号設定部81は、ユーザが、選択されるべき信号、すなわち熱エネルギ優先モードまたは電力エネルギ優先モードを選択して設定入力するように構成することができる。例えば、ユーザが、選択信号設定部81に熱エネルギ優先モードを設定入力した場合、信号選択送信部35が学習制御信号34を選択して、熱エネルギ優先モードでの運転を行うことができる。一方、ユーザが、選択信号設定部81に電力エネルギ優先モードを設定入力した場合、信号選択送信部35が第1管理制御信号71を選択して、電力エネルギ優先モードでの運転を行うことができる。
なお、信号選択送信部35は、例えば、HEMS管理装置60から第1管理制御信号71を受信した場合に、当該第1管理制御信号71を選択し、第1管理制御信号71を受信していない場合に、学習制御信号34を選択するように構成することができる。すなわち、HEMS管理装置60は、選択信号設定部81において熱エネルギ優先モードが設定された場合、信号選択送信部35への第1管理制御信号71の送信を停止する。このことにより、信号選択送信部35は学習制御信号34を選択してインバータ13に送信する。一方、HEMS管理装置60は、選択信号設定部81において電力エネルギ優先モードが設定された場合、信号選択送信部35への第1管理制御信号71の送信を行う。このことにより、信号選択送信部35は第1管理制御信号71を選択してインバータ13に送信する。このようにして、HEMS管理装置60は、信号選択送信部35における信号の選択を制御することが可能となる。なお、信号選択送信部35における信号の選択の方式については上記に限られることはない。例えば、信号選択送信部35には、学習制御信号34と第1管理制御信号71とが送信され、HEMS管理装置60からの指令に応じて信号選択送信部35が、送信された学習制御信号34と第1管理制御信号71とのうちのいずれか一方の信号を選択するように構成することもできる。
また、HEMS管理装置60は、経済性モード(第1モード)と環境性モード(第2モード)とのうちのいずれか一方のモードを設定するモード設定部82を有している。ここで、経済性モードとは、太陽光発電ユニット40により発電された電力を、より高い単価で売電して、ユーザに経済的メリットを提供するためのモードである。環境性モードとは、商用電力系統110からの購入電力量を低減して、燃料電池発電ユニット10や太陽光発電ユニット40により発電された比較的クリーンな電力を最大限使用するためのモードである。これらの経済性モードと環境性モードとは、電力エネルギ優先モードにおいて運転を行うモードとすることができる。モード選択部82は、ユーザによりいずれか一方のモードが設定入力されて、入力されたモードが設定されるように構成することができる。
モード設定部82において経済性モードが設定された場合、HEMS管理装置60は、発電指示量をゼロ(0)とする第1管理制御信号71を作成し、燃料電池制御装置30の信号選択送信部35に送信する。このことにより、当該第1管理制御信号71が信号選択送信部35によって選択されてインバータ13に送信され、燃料電池スタック12の発電量がゼロとなり、燃料電池発電ユニット10の運転が停止する。
また、経済性モードが選択された場合、HEMS管理装置60は、蓄電池ユニット50の運転を停止させるように、蓄電池ユニット50の蓄電池制御装置51に第3管理制御信号73を送信する。このようにして、燃料電池発電ユニット10と蓄電池ユニット50とが運転を停止することができる。この場合、太陽光発電ユニット40により発電した電力の売電単価を高めることができる。これは、太陽光発電ユニット40と同時に、燃料電池発電ユニット10などの他の発電ユニットにおいて発電を行っていた場合には、太陽光発電ユニット40により発電された電力の買い取り価格が安くなる制度となっていることによる。
一方、モード設定部82において環境性モードが設定された場合、HEMS管理装置60は、燃料電池スタック12の発電指示量を増大させる第1管理制御信号71を作成し、燃料電池制御部の信号選択送信部35に送信する。このことにより、当該第1管理制御信号71が信号選択送信部35によって設定されてインバータ13に送信され、燃料電池スタック12からの発電量が増大する。このようにして、燃料電池発電ユニット10において発電する発電量を増大させることができる。
また、環境性モードが設定された場合、HEMS管理装置60は、蓄電池ユニット50に充電運転を行わせるように、蓄電池ユニット50の蓄電池制御装置51に第3管理制御信号73を送信する。このようにして、燃料電池発電ユニット10および太陽光発電ユニット40において発電した電力のうち余剰分を蓄電池ユニット50に充電することができ、負荷100における消費電力量が相対的に増大した場合には蓄電池ユニット50から放電させることで消費電力量の増大分を補うことができる。このため、商用電力系統110からの購入電力量を低減させることができる。
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。
HEMS管理装置60の選択信号設定部81において熱エネルギ優先モードが設定された場合、HEMS管理装置60は、燃料電池制御装置30の信号選択送信部35への第1管理制御信号71の送信を停止する。このことにより、信号選択送信部35は、学習制御信号作成部31から送信された学習制御信号34を選択してインバータ13に送信する。このことにより、燃料電池発電ユニット10は、熱エネルギ優先モードでの発電量で発電を行い、燃料電池発電ユニット10の熱エネルギと電力エネルギとを利用して燃料電池発電ユニット10のエネルギ利用効率向上を図ることができる。
HEMS管理装置60の選択信号設定部81において電力エネルギ優先モードが設定された場合、HEMS管理装置60は、燃料電池制御装置30の信号選択送信部35に第1管理制御信号71を送信する。このことにより、信号選択送信部35は、選択する信号を学習制御信号34から第1管理制御信号71に切り換えて、当該第1管理制御信号71をインバータ13に送信する。このことにより、燃料電池スタック12は、電力エネルギ優先モードでの発電量で発電を行い、燃料電池発電ユニット10、太陽光発電ユニット40および蓄電池ユニット50における総合的な電力エネルギ利用効率向上を図ることができる。
電力エネルギ優先モードでは、さらに、経済性モードまたは環境性モードのいずれか一方がモード設定部82において設定される。
すなわち、HEMS管理装置60のモード設定部82において経済性モードが設定された場合、HEMS管理装置60は、発電指示量をゼロとする第1管理制御信号71を作成して信号選択送信部35に送信する。このことにより、燃料電池スタック12の発電量がゼロとなって燃料電池発電ユニット10の運転が停止する。また、この場合、HEMS管理装置60は、蓄電池制御装置51に第3管理制御信号73を送信して、蓄電池ユニット50の運転を停止させる。この際、蓄電池ユニット50は、充電も放電も行わない。このようにして、燃料電池発電ユニット10と蓄電池ユニット50とが停止し、太陽光発電ユニット40により発電した電力の売電単価を高めることができる。この場合、太陽光発電ユニット40により発電した電力が負荷100で消費され、余剰分が商用電力系統110に供給されて売電することができる。
一方、HEMS管理装置60のモード設定部82において環境性モードが設定された場合、HEMS管理装置60は、発電指示量を増大させる第1管理制御信号71を作成して信号選択送信部35に送信する。このことにより、燃料電池スタック12の発電量が増大する。また、この場合、HEMS管理装置60は、蓄電池制御装置51に畜電池用管理制御信号73を送信して、蓄電池ユニット50に充電運転を行わせる。このようにして、燃料電池発電ユニット10および太陽光発電ユニット40において発電した電力のうち余剰分を蓄電池ユニット50に充電することができ、負荷100における消費電力量が相対的に増大した場合であっても蓄電池ユニット50から放電させることで消費電力量の増大分を補うことができる。このため、商用電力系統110からの購入電力量を低減させることができる。
ところで、電力エネルギ優先モードでは、HEMS管理装置60により作成された第1管理制御信号71に基づいて燃料電池発電ユニット10が運転を行う。ここで、HEMS制御装置60は、上述したように燃料電池発電ユニット10の熱エネルギの管理を行っていない。このため、第1管理制御信号71が示す発電指示量は、燃料電池発電ユニット10の熱エネルギの有効利用を考慮していない。このことにより、電力エネルギ優先モードでの運転が行われる間、貯湯タンク21に作成される温水が満畜になったり、あるいは空になったりするおそれがある。
例えば、環境性モードが選択されることにより温水が満畜になる場合が考えられ、この場合には、燃料電池発電ユニット10において発生する熱が排熱回収ライン22、26を介して回収することが困難になり、燃料電池スタック12に熱が余る状態となり得る。この場合、燃料電池スタック12の内部温度が高くなり、燃料電池スタック12の発電量が低下する。
そこで、HEMS管理装置60は、第1電力センサ63aから送信される燃料電池発電ユニット10から供給される電力量に基づいて、第1管理制御信号71が示す発電指示量に対して燃料電池スタック12の発電量が低下したか否かを判断する。当該発電量が低下したと判断した場合、貯湯タンク21の温水が満畜になったと想定できる。そして、HEMS管理装置60は、第1管理制御信号71の送信を停止する。このことにより、燃料電池制御装置30の信号選択送信部35は、選択する信号を第1管理制御信号71から学習制御信号34に切り換えて、当該学習制御信号34をインバータ13に送信する。このことにより、燃料電池スタック12は、熱エネルギ優先モードでの発電量で発電を行うことができる。この結果、熱エネルギの管理を開始することができ、燃料電池発電ユニット10は、電力需要32と熱需要33とに基づく学習制御によって適切な運転を行うことが可能となる。
一方、経済性モードが選択されることにより、温水が空になる場合が考えられ、この場合には、ユーザが、必要に応じてHEMS管理装置60の選択信号設定部81において熱エネルギ優先モードを設定入力することにより、燃料電池スタック12が、熱エネルギ優先モードでの発電量で発電を行うことができる。
ところで、電力エネルギ優先モードでの運転によって、貯湯タンク21の温水が満畜になったり空になったりするおそれを回避可能であることが望ましい。このため、学習制御信号作成部31は、信号選択送信部35において過去の第1管理制御信号71が選択されている間における過去の電力需要32と過去の熱需要33とに基づいて学習制御信号34を作成し、信号選択送信部35において、作成された当該学習制御信号34が選択された後に、次の第1管理制御信号71が選択されることが好適である。この場合、環境性モードでの運転によって、燃料電池スタック12の発電量が増大して貯湯タンク21内の温水の量が増大するにも関わらず、温水の使用量が少ないことにより、貯湯タンク21内の温水が余ることを学習して、燃料電池スタック12の発電量を調整することができる。また、経済性モードでの運転によって、燃料電池スタック12の発電が停止して貯湯タンク21内の温水の量が増大しないにも関わらず、温水が使用されることにより、貯湯タンク21内の温水が空になることを学習して、燃料電池スタック12の発電量を調整することができる。
すなわち、環境性モードの運転が開始される前に、貯湯タンク21内の温水の量を少なくするように燃料電池スタック12の発電量が調整されることが好適である。このことにより、環境性モードの運転が行われることにより、貯湯タンク21内の温水が満畜になるまでの時間を稼ぐことができ、環境性モードの運転可能時間を増大させることができる。
一方、経済性モードの運転が開始される前には、貯湯タンク21内の温水の量を多くするように燃料電池スタック12の発電量が調整されることが好適である。このことにより、経済性モードの運転が行われることにより、貯湯タンク21内の温水が空になるまでの時間を稼ぐことができ、経済性モードの運転可能時間を増大させることができる。
このように本実施の形態によれば、燃料電池スタック12の発電量を調整するインバータ13に送信される信号は、過去の電力需要32と熱需要33とを学習して得られた需要予測に基づく発電指示量を含む学習制御信号34(熱エネルギ優先モードに対応)と、HEMS管理装置60により作成された発電指示量を含む第1管理制御信号71(電力エネルギ優先モードに対応)から選択することができる。このことにより、HEMS管理装置60の管理下においても、熱エネルギ優先モードとして学習制御信号34の発電指示量に基づいて発電量を調整して燃料電池発電ユニット10の運転を行うことができ、燃料電池発電ユニット10の熱エネルギの利用効率の向上を図り、熱エネルギの利用効率の低下を抑制することができる。
また本実施の形態によれば、上述したように、熱エネルギ優先モードと電力エネルギ優先モードとが選択可能になっている。このことにより、ユーザの希望に応じて燃料電池発電ユニット10の運転モードを変えることができ、利便性を向上させ、ユーザの満足度を高めることができる。さらに、本実施の形態によれば、電力エネルギ優先モードが選択されている間、経済性モードと環境性モードとが選択可能になっている。このことにより、ユーザの希望に応じて燃料電池発電ユニット10の運転モードをより一層細かく設定することができ、利便性をより一層向上させ、ユーザの満足度をより一層高めることができる。
(第2の実施の形態)
次に、図3を用いて、本発明の第2の実施の形態におけるコージェネレーションユニット、これを備えたコージェネレーションシステム、および電力エネルギ管理装置について説明する。
図3に示す第2の実施の形態においては、インターネットから得られた予測日射量に基づいて燃料電池用管理制御信号が作成される点が主に異なり、他の構成は、図1および図2に示す第1の実施の形態と略同一である。なお、図3において、図1および図2に示す第1の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
図3に示すように、コージェネレーションシステム1は、インターネット120から、当該コージェネレーションシステム1が設置されている地域の予測日射量を受信可能な上位制御装置130を更に備えている。上位制御装置130は、受信した予測日射量を、予測日射量信号131としてHEMS管理装置60に送信する。HEMS管理装置60は、受信した予測日射量に基づいて第1管理制御信号71を作成する。
より具体的には、HEMS管理装置60は、予測日射量に基づいて、太陽光発電ユニット40において発電される発電量を予測する。
予測された発電量が所定量より大きい場合、HEMS管理装置60は、夜間の発電指示量をゼロとする第1管理制御信号71を作成する。このことにより、当該第1管理制御信号71が信号選択送信部35によって選択されてインバータ13に送信され、夜間の燃料電池スタック12の発電量がゼロとなる。このようにして、夜間に燃料電池発電ユニット10の運転を停止させ、貯湯タンク21内の温水の量を少なくすることができる。この場合、昼間に、燃料電池発電ユニット10の運転により貯湯タンク21内の温水が満畜になるまでの時間を稼ぐことができる。すなわち、燃料電池発電ユニット10の運転可能時間を増大させることができ、その結果、燃料電池発電ユニット10から供給される電力を負荷100で消費させることにより(押し上げ効果)、太陽光発電ユニット40から商用電力系統110への売電電力量を増大させることができる。
上述のように燃料電池発電ユニット10の運転を行っている場合であっても、太陽光発電ユニット40から供給される電力が負荷100において消費される場合には、HEMS管理装置60は、蓄電池ユニット50に放電運転を行わせるとともに放電電力量を増大させるように、蓄電池制御装置51に第3管理制御信号73を送信する。このことにより、蓄電池ユニット50から放電される電力量で負荷100の消費電力量を賄い、この結果、太陽光発電ユニット40から供給される電力量のうち商用電力系統110への売電電力量をより一層増大させることができる。なお、燃料電池発電ユニット10の運転が継続されることにより、貯湯タンク21内の温水が満畜になり、燃料電池発電ユニット10の発電量が低下したり、運転が停止したりする場合が考えられる。しかしながら、この場合であっても、蓄電池ユニット50の放電電力量を増大させることにより、太陽光発電ユニット40から商用電力系統110への売電電力量を増大させることが可能となる。
一方、太陽光発電ユニット40における予測された発電量が所定量より小さい場合、HEMS管理装置60は、信号選択送信部35への第1管理制御信号71の送信を停止する。このことにより、信号選択送信部35は学習制御信号34を選択してインバータ13に送信する。このことにより、燃料電池発電ユニット10は、熱エネルギ優先モードでの発電量で発電を行い、燃料電池発電ユニット10の熱エネルギと電力エネルギとを利用して燃料電池発電ユニット10のエネルギ利用効率向上を図ることができる。
このように本実施の形態によれば、インターネット120から受信された予測日射量に基づいて第1管理制御信号71が作成される。このことにより、予測日射量に応じて、各発電ユニット10、40の運転および停止を切り換えることができ、燃料電池発電ユニット10、太陽光発電ユニット40および蓄電池ユニット50における総合的な電力エネルギの利用効率をより一層向上させることができる。
(第3の実施の形態)
次に、図4を用いて、本発明の第3の実施の形態におけるコージェネレーションユニット、これを備えたコージェネレーションシステム、および電力エネルギ管理装置について説明する。
図4に示す第3の実施の形態においては、インターネットから得られた逆潮流許可指令に基づいて逆潮流防止機能が解除される点が主に異なり、他の構成は、図1および図2に示す第1の実施の形態と略同一である。なお、図4において、図1および図2に示す第1の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
図4に示すように、コージェネレーションシステム1は、商用電力系統110において電力不足が懸念される場合に発せられ得る逆潮流許可指令を、インターネット120から受信可能な上位制御装置130を更に備えている。上位制御装置130は、受信した逆潮流許可指令を、逆潮流許可指令信号132としてHEMS管理装置60に送信する。HEMS管理装置60は、受信した逆潮流許可指令に基づいて、逆潮流防止機能を解除する。
すなわち、HEMS管理装置60は、上述したように、逆潮流防止用センサ65により検出された電力量に基づいて、蓄電池ユニット50が逆潮流するおそれがあると判断した場合には、逆潮流防止機能を動作させて、燃料電池発電ユニット10の運転停止の指示および蓄電池ユニット50の放電停止の指示のうちの少なくとも一方の指示を行う。逆潮流防止機能は、熱エネルギ優先モード、電力エネルギ優先モードのいずれにおいても可能となっている。
しかしながら、HEMS管理装置60が逆潮流許可指令を受信した場合には、逆潮流防止用センサ65により検出された電力量に関わることなく、燃料電池発電ユニット10の運転停止の指示を行うこともなく、かつ蓄電池ユニット50への放電停止の指示を行うこともない。このようにして、HEMS管理装置60の逆潮流防止機能が解除され、燃料電池発電ユニット10の発電電力と、蓄電池ユニット50の放電電力を、商用電力系統110に供給する(逆潮流する)ことができ、商用電力系統110の安定化に寄与することができる。
逆潮流防止機能を解除する場合、燃料電池発電ユニット10においては、例えば、電力エネルギ優先モードで燃料電池発電ユニット10の運転が行われることが好適である。この場合、燃料電池発電ユニット10において、熱エネルギの利用よりも電力エネルギの利用が優先されるため、商用電力系統110に供給される電力量を増大させることができる。
このように本実施の形態によれば、インターネット120から受信された逆潮流許可指令に基づいて、HEMS管理装置60の逆潮流防止機能が解除される。このことにより、燃料電池発電ユニット10の発電電力と蓄電池ユニット50の放電電力とを商用電力系統110に供給することができ、商用電力系統110の安定化に寄与することができる。
なお、図4に示す上位制御装置130は、図3に示す上位制御装置130のように、インターネット120から得られた予測日射量を受信可能に構成されていてもよい。この場合、HEMS管理装置60は、予測日射量に基づいて第1管理制御信号71を作成することが好適である。
(第4の実施の形態)
次に、図5を用いて、本発明の第4の実施の形態におけるコージェネレーションユニット、これを備えたコージェネレーションシステム、および電力エネルギ管理装置について説明する。
図5に示す第4の実施の形態においては、HEMS管理装置が、燃料電池制御装置に内蔵されている点が主に異なり、他の構成は、図1および図2に示す第1の実施の形態と略同一である。なお、図5において、図1および図2に示す第1の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
図5に示すように、HEMS管理装置60は、燃料電池制御装置30に内蔵されている。この場合、HEMS管理装置60は、燃料電池制御装置30にハード的に内蔵されてもよい。あるいはソフト的に内蔵されてもよい。この場合、燃料電池制御装置30内に、HEMS管理装置60の機能を実行可能なプログラムが演算処理部として設けられる。
このように本実施の形態によれば、HEMS管理装置60の設置スペースを省略することができ、コージェネレーションシステム1全体の設置スペースを低減することができる。
(第5の実施の形態)
次に、図6を用いて、本発明の第5の実施の形態におけるコージェネレーションユニット、これを備えたコージェネレーションシステム、および電力エネルギ管理装置について説明する。
図6に示す第5の実施の形態においては、HEMS管理装置に、学習制御信号作成部と信号選択送信部とが内蔵されている点が主に異なり、他の構成は、図1および図2に示す第1の実施の形態と略同一である。なお、図6において、図1および図2に示す第1の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
図6に示すように、HEMS管理装置60は、上述したHEMS管理装置60自体の各種機能を含むHEMS管理装置本体66と、学習制御信号作成部31と、信号選択送信部35と、を有している。すなわち、学習制御信号作成部31と信号選択送信部35が、HEMS管理装置60に内蔵されている。学習制御信号作成部31と信号選択送信部35は、HEMS管理装置60内に、ソフト的にプログラミングされるように内蔵されていることが好適である。
電力需要32と熱需要33は、HEMS管理装置60に内蔵された学習制御信号作成部31に送信される。HEMS管理装置本体66において作成された第1管理制御信号71は、内蔵された信号選択送信部35に送信される。
信号選択送信部35において選択された信号は、当該信号選択送信部35から燃料電池発電ユニット10のインバータ13に送信される。この際、選択された信号は、燃料電池発電ユニット10の燃料電池制御装置30を経由してインバータ13に送信されるようにしてもよい。
このように本実施の形態によれば、学習制御信号作成部31と信号選択送信部35とをHEMS管理装置60に内蔵させることができる。このため、燃料電池発電ユニット10の燃料電池制御装置30内に、学習制御信号作成部31と信号選択送信部35とをプログラミングすることを省略することができ、燃料電池発電ユニット10の低コスト化を図ることができる。
以上述べた本実施の形態によれば、電力エネルギ管理装置の管理下においてもコージェネレーションユニットの熱エネルギ利用効率の低下を抑制できる。
本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1 コージェネレーションシステム
10 燃料電池発電ユニット
12 燃料電池スタック
13 インバータ
30 燃料電池制御装置
31 学習制御信号作成部
32 電力需要
33 熱需要
34 学習制御信号
35 信号選択送信部
40 太陽光発電ユニット
50 蓄電池ユニット
60 HEMS管理装置
71 第1管理制御信号
81 選択信号設定部
120 インターネット
130 上位制御装置

Claims (9)

  1. コージェネレーションシステムであって、
    太陽光発電ユニットまたは蓄電池ユニットと、
    電力エネルギ管理装置と、
    前記太陽光発電ユニットまたは前記蓄電池ユニットと共に前記電力エネルギ管理装置によって電力管理されるコージェネレーションユニットと、を備え、
    前記コージェネレーションユニットは
    電力および熱を発生するコージェネレーションユニット本体と、
    前記コージェネレーションユニット本体の発電量を調整する発電量調整装置と、
    前記発電量調整装置において調整されるべき発電量を指示するユニット制御装置と、を備え、
    前記ユニット制御装置は、
    過去の電力需要と過去の熱需要とを学習して需要予測を行い、当該需要予測に基づく発電指示量を含む学習制御信号を作成する学習制御信号作成部と、
    前記学習制御信号作成部により作成された前記学習制御信号と、前記電力エネルギ管理装置により作成される発電指示量を含む管理制御信号とのうちのいずれか一方の信号を選択して前記発電量調整装置に送信する信号選択送信部と、を有し
    当該コージェネレーションシステムが前記太陽光発電ユニットを備え、
    前記電力エネルギ管理装置は、第1モードと第2モードとのうちのいずれか一方のモードを設定するモード設定部を有し、
    前記モード設定部において前記第1モードが設定された場合、前記電力エネルギ管理装置は、発電指示量をゼロとする前記管理制御信号を作成し、
    前記モード設定部において前記第2モードが設定された場合、前記電力エネルギ管理装置は、発電指示量を増大させる前記管理制御信号を作成することを特徴とするコージェネレーションシステム。
  2. 当該コージェネレーションシステムが前記蓄電池ユニットを更に備え、
    前記モード設定部において前記第1モードが設定された場合、前記電力エネルギ管理装置は、前記蓄電池ユニットの運転を停止させることを特徴とする請求項に記載のコージェネレーションシステム。
  3. 当該コージェネレーションシステムが前記蓄電池ユニットを更に備え、
    前記モード設定部において前記第2モードが設定された場合、前記電力エネルギ管理装置は、前記蓄電池ユニットに充電運転を行わせることを特徴とする請求項に記載のコージェネレーションシステム。
  4. 前記学習制御信号作成部は、前記ユニット制御装置の前記信号選択送信部において過去の前記管理制御信号が選択されている間における過去の前記電力需要と過去の前記熱需要とに基づいて前記学習制御信号を作成し、前記信号選択送信部において、作成された当該学習制御信号が選択された後に、次の管理制御信号が選択されることを特徴とする請求項乃至のいずれかに記載のコージェネレーションシステム。
  5. 当該コージェネレーションシステムは、インターネットから予測日射量を受信可能な上位制御装置を更に備え、
    前記電力エネルギ管理装置は、前記上位制御装置により受信される前記予測日射量に基づいて前記管理制御信号を作成することを特徴とする請求項乃至のいずれかに記載のコージェネレーションシステム。
  6. 前記予測日射量が所定量より大きい場合、前記電力エネルギ管理装置は、発電指示量をゼロとする前記管理制御信号を作成し、前記予測日射量が前記所定量より小さい場合、前記ユニット制御装置の前記信号選択送信部は、前記学習制御信号を選択することを特徴とする請求項に記載のコージェネレーションシステム。
  7. コージェネレーションシステムであって、
    太陽光発電ユニットまたは蓄電池ユニットと、
    電力エネルギ管理装置と、
    前記太陽光発電ユニットまたは前記蓄電池ユニットと共に前記電力エネルギ管理装置によって電力管理されるコージェネレーションユニットと、を備え、
    前記コージェネレーションユニットは、
    電力および熱を発生するコージェネレーションユニット本体と、
    前記コージェネレーションユニット本体の発電量を調整する発電量調整装置と、
    前記発電量調整装置において調整されるべき発電量を指示するユニット制御装置と、を備え、
    前記ユニット制御装置は、
    過去の電力需要と過去の熱需要とを学習して需要予測を行い、当該需要予測に基づく発電指示量を含む学習制御信号を作成する学習制御信号作成部と、
    前記学習制御信号作成部により作成された前記学習制御信号と、前記電力エネルギ管理装置により作成される発電指示量を含む管理制御信号とのうちのいずれか一方の信号を選択して前記発電量調整装置に送信する信号選択送信部と、を有し、
    当該コージェネレーションシステムは、
    前記蓄電池ユニットと、
    インターネットから逆潮流許可指令を受信可能な上位制御装置と、を更に備え、
    前記電力エネルギ管理装置は、前記コージェネレーションユニットと前記蓄電池ユニットの逆潮流を防止する逆潮流防止機能を有し、
    前記電力エネルギ管理装置は、前記上位制御装置が逆潮流許可指令を受信した場合、前記逆潮流防止機能を解除することを特徴とするコージェネレーションシステム。
  8. 前記電力エネルギ管理装置は、前記ユニット制御装置に内蔵されていることを特徴とする請求項乃至のいずれかに記載のコージェネレーションシステム。
  9. 前記電力エネルギ管理装置は、前記ユニット制御装置の前記信号選択送信部においていずれの信号が選択されるべきかを設定する選択信号設定部を有していることを特徴とする請求項乃至のいずれかに記載のコージェネレーションシステム。
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