JP6383589B2 - コージェネレーションシステム - Google Patents

Description

本発明は、太陽熱及び燃料電池からの排熱を蓄えて利用するコージェネレーションシステムの技術に関する。

従来、太陽熱及び燃料電池からの排熱を蓄えて利用するコージェネレーションシステムの技術は公知となっている。例えば、特許文献１に記載の如くである。

特許文献１には、燃料電池システム（コージェネレーションシステム）が設けられた需要家（家）から、太陽熱温水システムが設けられた需要家（家）に対して、温水（熱）を融通可能とする技術が開示されている。

このような技術においては、燃料電池システムが設けられた需要家の余剰エネルギーを、他方の太陽熱温水システムが設けられた需要家へと融通することができ、全体として高効率な運転を実現することができる。

しかしながら、特許文献１に記載のような技術においては、エネルギー効率の向上の観点から改善の余地があった。

具体的には、特許文献１に記載の太陽熱温水システムは、太陽熱を集熱する集熱器（太陽熱温水器）と、集熱器からの熱を蓄える太陽熱貯湯タンク（貯湯タンク）と、を具備する。このような太陽熱温水システムでは、太陽熱によって高温となった集熱器と、当該集熱器よりも低温の太陽熱貯湯タンクとの間で熱媒体を循環させることにより、集熱器から太陽熱貯湯タンクへと熱を供給することができる。

しかしながら、例えば日の出の直後など、集熱器の温度が太陽熱貯湯タンクの温度よりも低い場合に熱媒体を循環させると、太陽熱貯湯タンクの熱が集熱器へと奪われてしまう。従って、日の出の直後に集熱器が太陽光を受けていたとしても、当該集熱器の温度が太陽熱貯湯タンクの温度よりも高くなるまでは、熱媒体を循環させることができない。

このように、集熱器の温度が太陽熱貯湯タンクの温度よりも低い場合には、すぐに太陽熱を太陽熱貯湯タンクに蓄えることができず、エネルギー効率の向上の観点から改善の余地があった。

特開２０１２−１５９２４３号公報

本発明は以上の如き状況に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、エネルギー効率の向上を図ることが可能なコージェネレーションシステムを提供することである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、太陽光を受けて太陽熱を集熱する集熱器（集熱パネル）と、前記集熱器で集熱された熱を蓄える太陽熱貯湯タンクと、燃料を用いて発電する発電装置（燃料電池発電ユニット）と、発電装置の排熱を蓄える排熱貯湯タンクと、前記排熱貯湯タンク内の熱媒体を排出する排出管路と、前記排出管路を流通する熱媒体の熱を前記集熱器へと供給し、当該集熱器の温度を上昇させる排熱伝達機構と、前記集熱器の温度を検出する集熱器温度検出手段（パネル温度検出手段）と、前記太陽熱貯湯タンク内の温度を検出するタンク温度検出手段と、前記集熱器の温度が前記太陽熱貯湯タンク内の温度未満である場合に、前記排出管路を流通する熱媒体の熱を前記集熱器へと供給する制御装置と、を具備するものである。

請求項２においては、前記排熱伝達機構は、前記排出管路を流通する熱媒体との間で熱交換可能な熱交換器と、前記集熱器と前記熱交換器との間で熱媒体を循環させる排熱伝達管路と、を具備するものである。

請求項３においては、前記排熱伝達管路は、前記集熱器と前記太陽熱貯湯タンクとの間で熱媒体を循環させる太陽熱伝達管路に接続されることで、当該太陽熱伝達管路を介して集熱器に接続され、前記排熱伝達機構は、前記太陽熱伝達管路と前記排熱伝達管路との接続部に設けられ、前記集熱器と前記太陽熱貯湯タンクとを連通すると共に前記集熱器と前記熱交換器との連通を遮断する第一状態と、前記集熱器と前記熱交換器とを連通すると共に前記集熱器と前記太陽熱貯湯タンクとの連通を遮断する第二状態と、を切り替える切替機構（切替弁）をさらに具備するものである。

請求項４においては、前記制御装置は、前記集熱器が太陽熱を集熱可能である場合にのみ、前記排出管路を流通する熱媒体の熱を前記集熱器へと供給するものである。

請求項５においては、前記制御装置は、現在時刻から、前記集熱器が太陽熱を集熱可能となると予測される時刻までの時間が所定時間未満になった場合にのみ、前記排出管路を流通する熱媒体の熱を前記集熱器へと供給するものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、発電装置の排熱を利用して、集熱器の温度を上昇させることができる。これによって、集熱器の温度が太陽熱貯湯タンク内の温度よりも低い場合に当該集熱器の温度を上昇させることで、速やかに太陽熱を蓄えることができる状態にすることができ、ひいてはエネルギー効率の向上を図ることができる。また、必要な場合（太陽熱を蓄えることが出来ない場合）にのみ集熱器の温度を上昇させることができる。

請求項２においては、簡素な構成でエネルギー効率の向上を図ることができる。

請求項３においては、予め設けられた太陽熱伝達管路を用いることで、簡素な構成でエネルギー効率の向上を図ることができる。

請求項４においては、集熱器が太陽熱を集熱することが可能となるタイミングに合わせて、当該集熱器の温度を上昇させることができる。

請求項５においては、集熱器が太陽熱を集熱することが可能となるタイミングよりも前に、予め当該集熱器の温度を上昇させることができる。

本発明の一実施形態に係る給湯システムの全体的な構成を示した模式図。 給湯システムの基本的な動作を示した模式図。 集熱パネルに照射される太陽光の日射量と集熱パネルの温度の時間変化を示した図。 排熱貯湯タンクに蓄えられる熱量と給湯需要によって使用される熱量の時間変化を示した図。 プレヒート制御の処理の流れを示した図。 排熱貯湯タンクに蓄えられた熱を集熱パネルへと供給する様子を示した模式図。 プレヒート制御が行われた場合の、排熱貯湯タンクに蓄えられる熱量と給湯需要によって使用される熱量の時間変化を示した図。

まず、図１を用いて、本発明に係るコージェネレーションシステムの実施の一形態に係る給湯システム１について説明する。
なお、以下の説明では、比較的温度の低い水を「水」、比較的温度の高い水を「湯」と記載するが、水と湯は温度の違い以外に実質的な差異はない。

給湯システム１は、需要家の元に設けられ、排熱等を利用して湯を沸かすと共に、給湯需要に応じて湯を供給するためのものである。ここで「需要家」とは、例えば住宅や種々の施設等、給湯需要のある全てのものを意味する。また「給湯需要」とは、例えば浴室等の、湯が使用される種々の設備を意味する。給湯システム１は、主として太陽熱温水システム１０、第一上水管路２０、接続管路３０、燃料電池システム４０、第二上水管路５０、給湯管路６０、排出管路７０、排熱伝達機構８０、パネル温度センサ９０、貯湯タンク温度センサ１００及び制御装置１１０を具備する。

太陽熱温水システム１０は、太陽熱を集熱して蓄えると共に、必要に応じて当該熱を供給するものである。太陽熱温水システム１０は、主として集熱パネル１１、太陽熱貯湯タンク１２、第一熱交換器１３及び第一管路１４を具備する。

集熱パネル１１は、本発明に係る集熱器の実施の一形態である。集熱パネル１１は、太陽光を受けて太陽熱を集熱するものである。集熱パネル１１は、広い面で太陽光を受けることができるように、平板状に形成される。集熱パネル１１は、日当たりの良い場所（例えば、住宅の屋根の上等）に設置される。

太陽熱貯湯タンク１２は、集熱パネル１１で集熱された熱を蓄えるものである。太陽熱貯湯タンク１２は、内部に水（湯）を貯溜することが可能な空間を有する箱状に形成される。太陽熱貯湯タンク１２は、集熱パネル１１からの熱によって温められた熱媒体（本実施形態においては、水（湯））を蓄えることによって、太陽熱を蓄えることができる。

第一熱交換器１３は、高温の流体（液体）から低温の流体（液体）へと熱を移動させるものである。第一熱交換器１３は、太陽熱貯湯タンク１２に設けられる。第一熱交換器１３は、太陽熱貯湯タンク１２内に貯溜された水と、当該第一熱交換器１３を流通する不凍液と、の間で熱を移動（熱交換）させる。

第一管路１４は、本発明に係る太陽熱伝達管路の実施の一形態である。第一管路１４は、集熱パネル１１と第一熱交換器１３との間で熱媒体（本実施形態においては、不凍液）を循環させるものである。第一管路１４は、主として往管路１４ａ及び復管路１４ｂを具備する。

往管路１４ａは、集熱パネル１１と第一熱交換器１３とを連通するものである。往管路１４ａの一端は、集熱パネル１１（より詳細には、集熱パネル１１の全面に亘るように（集熱パネル１１内を循環するように）配置された配管の一端）に接続される。往管路１４ａの他端は、第一熱交換器１３の一端に接続される。

復管路１４ｂは、集熱パネル１１と第一熱交換器１３とを連通するものである。復管路１４ｂの一端は、集熱パネル１１（より詳細には、集熱パネル１１の全面に亘るように配置された前記配管の他端）に接続される。復管路１４ｂの他端は、第一熱交換器１３の他端に接続される。

第一管路１４、集熱パネル１１及び第一熱交換器１３の内部は不凍液で満たされている。また、第一管路１４の中途部には図示しないポンプが設けられる。当該ポンプを駆動させることにより、不凍液を往管路１４ａ、集熱パネル１１、復管路１４ｂ及び第一熱交換器１３の順に循環させることができる。

第一上水管路２０は、太陽熱貯湯タンク１２へと上水を供給するものである。第一上水管路２０の一端は、太陽熱貯湯タンク１２の下部に接続される。太陽熱貯湯タンク１２内の水（湯）が減少すると、当該減少した分だけ第一上水管路２０から太陽熱貯湯タンク１２内へと上水が供給される。

接続管路３０は、太陽熱貯湯タンク１２内の湯を後述する燃料電池システム４０の排熱貯湯タンク４２へと供給するものである。接続管路３０の一端は、太陽熱貯湯タンク１２の上部に接続される。接続管路３０の他端は、後述する混合三方弁５１を介して排熱貯湯タンク４２に接続される。

燃料電池システム４０は、燃料を用いて発電すると共に、当該発電の際に発生する熱（排熱）を蓄え、必要に応じて当該熱を供給するものである。燃料電池システム４０は、主として発電ユニット４１及び排熱貯湯タンク４２を具備する。

発電ユニット４１は、本発明に係る発電装置の実施の一形態である。発電ユニット４１は、水素等の燃料を用いて電力を取り出す（発電する）ものである。発電ユニット４１の方式としては、例えばＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）が用いられる。ＳＯＦＣ方式の発電ユニット４１は、メンテナンスを行う場合を除き、通常は２４時間連続して運転される。発電ユニット４１によって発電された電力は、需要家の元に設けられた種々の電気負荷（電化製品等）に供給される。発電ユニット４１が発電する際には、同時に排熱が発生する。

排熱貯湯タンク４２は、発電ユニット４１の排熱を蓄えるものである。排熱貯湯タンク４２は、内部に水（湯）を貯溜することが可能な空間を有する箱状に形成される。排熱貯湯タンク４２は発電ユニット４１に接続される。排熱貯湯タンク４２は、発電ユニット４１の排熱によって温められた熱媒体（本実施形態においては、水（湯））を蓄えることによって、当該排熱を蓄えることができる。また、排熱貯湯タンク４２には図示しない補助熱源が設けられる。前記補助熱源は、燃料を用いて排熱貯湯タンク４２内の水を沸かすことができる。

排熱貯湯タンク４２は、内部に貯溜された水を一旦発電ユニット４１に供給する。発電ユニット４１は、排熱貯湯タンク４２から受け取った水を自らの排熱によって沸かし、再び排熱貯湯タンク４２へと戻す。排熱貯湯タンク４２は、発電ユニット４１から受け取った湯（沸かされた水）を蓄えることによって、発電ユニット４１の排熱を蓄えることができる。また、発電ユニット４１の排熱だけでは十分な量の湯が得られない場合には、前記補助熱源を駆動させることで、燃料を用いて不足分の湯を沸かすことができる。

第二上水管路５０は、排熱貯湯タンク４２へと上水を供給するものである。第二上水管路５０の一端は、混合三方弁５１を介して排熱貯湯タンク４２の下部に接続される。

混合三方弁５１は、接続管路３０、第二上水管路５０及び排熱貯湯タンク４２を互いに接続するものである。混合三方弁５１は、接続管路３０からの湯、及び第二上水管路５０からの上水を、排熱貯湯タンク４２へと供給する。より詳細には、排熱貯湯タンク４２内の水（湯）が減少すると、当該減少した分だけ混合三方弁５１を介して接続管路３０及び第二上水管路５０から排熱貯湯タンク４２内へと湯及び上水が供給される。このように、接続管路３０からの湯、及び第二上水管路５０からの上水は、混合三方弁５１において混合されて排熱貯湯タンク４２へと供給される。

給湯管路６０は、排熱貯湯タンク４２内の湯を給湯需要（例えば、浴室等）へと供給するものである。給湯管路６０の一端は、排熱貯湯タンク４２の上部に接続される。給湯管路６０の他端は、給湯需要に接続される。

排出管路７０は、排熱貯湯タンク４２内の湯を必要に応じて外部へと排出するものである。排出管路７０の一端は、給湯管路６０の中途部に接続される。排出管路７０の他端は排水口に接続され、排出管路７０を流通した湯は当該排水口から排水される。排出管路７０の中途部には、制御弁７１が設けられる。

制御弁７１は、排出管路７０を介する湯の流通の可否を切り替えるものである。制御弁７１は、排出管路７０を開閉することができる。制御弁７１によって排出管路７０が開かれた場合にのみ、排熱貯湯タンク４２内の湯は外部へと排出される。

排熱伝達機構８０は、排出管路７０を流通する湯の熱を集熱パネル１１へと供給し、当該集熱パネル１１の温度を上昇させるものである。排熱伝達機構８０は、主として第二熱交換器８１、第二管路８２、第一三方弁８３及び第二三方弁８４を具備する。

第二熱交換器８１は、本発明に係る熱交換器の実施の一形態である。第二熱交換器８１は、高温の流体（液体）から低温の流体（液体）へと熱を移動させるものである。第二熱交換器８１は、排出管路７０の中途部に設けられる。第二熱交換器８１は、排出管路７０を流通する湯と、当該第二熱交換器８１を流通する不凍液と、の間で熱を移動（熱交換）させる。

第二管路８２は、本発明に係る排熱伝達管路の実施の一形態である。第二管路８２は、第二熱交換器８１と第一管路１４との間で熱媒体（本実施形態においては、不凍液）を循環させるものである。第二管路８２は、主として往管路８２ａ及び復管路８２ｂを具備する。

往管路８２ａは、第二熱交換器８１と第一管路１４の往管路１４ａとを連通するものである。往管路８２ａの一端は、第二熱交換器８１の一端に接続される。往管路８２ａの他端は、第一三方弁８３を介して第一管路１４の往管路１４ａの中途部に接続される。

復管路８２ｂは、第二熱交換器８１と第一管路１４の復管路１４ｂとを連通するものである。復管路８２ｂの一端は、第二熱交換器８１の他端に接続される。復管路８２ｂの他端は、第二三方弁８４を介して第一管路１４の復管路１４ｂの中途部に接続される。

第一三方弁８３は、本発明に係る切替機構の実施の一形態である。第一三方弁８３は、第一管路１４の往管路１４ａと第二管路８２の往管路８２ａとを互いに接続するものである。第一三方弁８３は、その状態を第一状態又は第二状態に切り替えることにより、往管路１４ａ及び往管路８２ａ内を流通する不凍液の流通経路を切り替えることができる。

ここで第一三方弁８３の「第一状態」とは、往管路１４ａの上流側（太陽熱貯湯タンク１２側）と下流側（集熱パネル１１側）とを連通すると共に、往管路１４ａと往管路８２ａとの連通を遮断する状態である。すなわち、当該第一状態では、集熱パネル１１と太陽熱貯湯タンク１２とが連通されると共に、集熱パネル１１と第二熱交換器８１との連通が遮断される。

また、第一三方弁８３の「第二状態」とは、往管路１４ａの下流側と往管路８２ａとを連通すると共に、往管路１４ａの上流側と往管路１４ａの下流側及び往管路８２ａとの連通を遮断する状態である。すなわち、当該第二状態では、集熱パネル１１と第二熱交換器８１とが連通されると共に、集熱パネル１１と太陽熱貯湯タンク１２との連通が遮断される。

第二三方弁８４は、本発明に係る切替機構の実施の一形態である。第二三方弁８４は、第一管路１４の復管路１４ｂと第二管路８２の復管路８２ｂとを互いに接続するものである。第二三方弁８４は、その状態を第一状態又は第二状態に切り替えることにより、復管路１４ｂ及び復管路８２ｂ内を流通する不凍液の流通経路を切り替えることができる。

ここで第二三方弁８４の「第一状態」とは、復管路１４ｂの上流側（集熱パネル１１側）と下流側（太陽熱貯湯タンク１２側）とを連通すると共に、復管路１４ｂと復管路８２ｂとの連通を遮断する状態である。すなわち、当該第一状態では、集熱パネル１１と太陽熱貯湯タンク１２とが連通されると共に、集熱パネル１１と第二熱交換器８１との連通が遮断される。

また、第二三方弁８４の「第二状態」とは、復管路１４ｂの上流側と復管路８２ｂとを連通すると共に、復管路１４ｂの下流側と復管路１４ｂの上流側及び復管路８２ｂとの連通を遮断する状態である。すなわち、当該第二状態では、集熱パネル１１と第二熱交換器８１とが連通されると共に、集熱パネル１１と太陽熱貯湯タンク１２との連通が遮断される。

第二熱交換器８１及び第二管路８２の内部は、第一管路１４と同様に不凍液で満たされている。また、第二管路８２の中途部には図示しないポンプが設けられる。第一三方弁８３及び第二三方弁８４がそれぞれ第二状態に切り替えられるた状態で、当該ポンプを駆動させることにより、不凍液を往管路８２ａ、往管路１４ａ、集熱パネル１１、復管路１４ｂ、復管路８２ｂ及び第二熱交換器８１の順に循環させることができる。

パネル温度センサ９０は、本発明に係る集熱器温度検出手段の実施の一形態である。パネル温度センサ９０は、集熱パネル１１の温度を検出するものである。パネル温度センサ９０は集熱パネル１１に設けられ、当該集熱パネル１１の表面（太陽光を受ける面）の温度を検出することができる。

貯湯タンク温度センサ１００は、本発明に係るタンク温度検出手段の実施の一形態である。貯湯タンク温度センサ１００は、太陽熱貯湯タンク１２内の温度を検出するものである。貯湯タンク温度センサ１００は太陽熱貯湯タンク１２内に設けられ、当該太陽熱貯湯タンク１２内に貯溜された水（湯）の温度を検出することができる。

制御装置１１０は、給湯システム１の動作を制御するものである。制御装置１１０は、主としてＣＰＵ等の演算処理装置、ＲＡＭやＲＯＭ等の記憶装置、Ｉ／Ｏ等の入出力装置、並びにモニター等の表示装置等により構成される。制御装置１１０には、給湯システム１の動作を制御するための種々の情報やプログラム等が予め記憶される。

制御装置１１０はパネル温度センサ９０に接続され、集熱パネル１１の温度に関する信号を受信することができる。
制御装置１１０は貯湯タンク温度センサ１００に接続され、太陽熱貯湯タンク１２内の温度に関する信号を受信することができる。
制御装置１１０は制御弁７１に接続され、当該制御弁７１の動作（開閉）を制御することができる。
制御装置１１０は第一三方弁８３に接続され、当該第一三方弁８３の動作（第一状態と第二状態の切り替え）を制御することができる。
制御装置１１０は第二三方弁８４に接続され、当該第二三方弁８４の動作（第一状態と第二状態の切り替え）を制御することができる。

以下では、図２を用いて、上述の如く構成された給湯システム１の基本的な動作について説明する。

太陽熱温水システム１０において、集熱パネル１１に太陽光が照射されると、当該集熱パネル１１は太陽熱を集熱し、内部の不凍液の温度を上昇させる。当該不凍液は、復管路１４ｂを介して第一熱交換器１３へと供給される。第一熱交換器１３は、集熱パネル１１から供給された高温の不凍液の熱を、太陽熱貯湯タンク１２内に貯溜された水へと移動させる。これによって、太陽熱貯湯タンク１２内の水が沸かされる。第一熱交換器１３において熱を奪われた不凍液は、往管路１４ａを介して再び集熱パネル１１へと供給される。このように、集熱パネル１１と第一熱交換器１３との間で不凍液を循環させることで、集熱パネル１１からの熱を、水（湯）を熱媒体として太陽熱貯湯タンク１２に蓄えることができる。

燃料電池システム４０において、発電ユニット４１の運転（発電）と同時に発生する排熱によって排熱貯湯タンク４２内の水が沸かされる。このように、水（湯）を熱媒体として、発電ユニット４１からの排熱を排熱貯湯タンク４２に蓄えることができる。浴室等の給湯需要で湯が使用される場合には、排熱貯湯タンク４２内の湯が給湯管路６０を介して給湯需要へと供給される。この際、給湯需要へと供給された湯と同量の水が混合三方弁５１を介して排熱貯湯タンク４２へと供給される。このようにして、排熱貯湯タンク４２内は常に水（又は湯）で満たされることになる。混合三方弁５１では、第二上水管路５０を介して供給される上水と、接続管路３０を介して太陽熱貯湯タンク１２から供給される湯と、が混合される。これによって、排熱貯湯タンク４２内の水（又は湯）の温度を出来る限り高い状態に維持することができる。

また、接続管路３０を介して太陽熱貯湯タンク１２から排熱貯湯タンク４２へと湯が供給されると、当該湯と同量の上水が第一上水管路２０を介して太陽熱貯湯タンク１２へと供給される。このようにして、太陽熱貯湯タンク１２内は常に水（又は湯）で満たされることになる。

以上の如く、給湯システム１では、集熱パネル１１において集熱された太陽熱、及び発電ユニット４１の排熱を利用して湯が沸かされ、当該湯を給湯需要へと供給することができる。

ここで、上述の如く集熱パネル１１において集熱された太陽熱を利用して太陽熱貯湯タンク１２内の水を沸かす場合、集熱パネル１１の温度が太陽熱貯湯タンク１２内の温度よりも高くなっている必要がある。以下、具体的に説明する。

図３には、ある一日における集熱パネル１１に照射される太陽光の日射量と、集熱パネル１１の温度の時間変化を示している。また図３には、当該一日における日の出の時刻ｔ１、及び集熱パネル１１からの太陽熱の供給がない場合の太陽熱貯湯タンク１２内の温度Ｔｔを示している。なお、太陽熱貯湯タンク１２内の温度Ｔｔは時間変化するものであるが、図３においては説明の便宜上一定として示している。

太陽光が集熱パネル１１に照射されることがない（日射量が０である）時間帯（日の出の時刻ｔ１以前や、１８時以降）においては、当該集熱パネル１１の温度は大幅に低下する。集熱パネル１１の温度が太陽熱貯湯タンク１２内の温度Ｔｔよりも低い温度まで低下した状態で、集熱パネル１１と第一熱交換器１３との間で不凍液を循環させる（図２参照）と、太陽熱貯湯タンク１２内の熱を奪い、当該熱を集熱パネル１１へと供給することになる。すなわち、太陽熱貯湯タンク１２内の水に熱を与えて沸かすことができず、逆に当該水から熱を奪ってしまうため好ましくない。

従って通常は、日の出の時刻ｔ１以後（集熱パネル１１に太陽光が照射されている状態）であっても、集熱パネル１１の温度が太陽熱貯湯タンク１２内の温度Ｔｔ以上になるまで（時刻ｔ２）は、集熱パネル１１と第一熱交換器１３との間で不凍液を循環させることはない。

このように、集熱パネル１１に太陽光が照射されている状態であっても、当該集熱パネル１１の温度が太陽熱貯湯タンク１２内の温度Ｔｔ未満である場合には、太陽熱を太陽熱貯湯タンク１２へと蓄えることができない。

一方、図４には、図３と同じ一日における排熱貯湯タンク４２に蓄えられる熱量（貯湯熱量）と、給湯需要によって使用される熱量（使用熱量）の時間変化を示している。

上述の如く発電ユニット４１は通常２４時間連続して運転される。また、給湯需要（例えば、浴室）で熱（湯）が使用される時間帯（図４の例においては、２１時前後）は概ね決まっている。このため、給湯需要で熱が使用される時間帯まで、発電ユニット４１からの排熱によって貯湯熱量は時間の経過と共に増加する。

しかし、排熱貯湯タンク４２内に蓄えることができる熱量には限界があるため、貯湯熱量が一定の値（上限値）Ｈｍに達した場合、給湯需要によって熱量が使用されるまでの間（図４における時間Ｗ１）、排熱貯湯タンク４２内の湯（すなわち、余った熱）は排出管路７０を介して排出（排水）される。

このように、発電ユニット４１で排熱が発生しても、排熱貯湯タンク４２の容量を超える排熱は蓄えることができす、無駄に排出されることになる。

以上のことから本実施形態に係る給湯システム１では、排熱貯湯タンク４２に蓄えられた熱を用いて、集熱パネル１１の温度を太陽熱貯湯タンク１２内の温度Ｔｔ以上まで速やかに上昇させることで、集熱パネル１１で集熱された太陽熱を無駄なく太陽熱貯湯タンク１２へと蓄え、エネルギー効率の向上を図る。以下では、当該給湯システム１の制御（以下、この制御を「プレヒート制御」と記す）について説明する。

図５のステップＳ１０１において、制御装置１１０は、集熱パネル１１が太陽熱を集熱可能な状態であるか否かを判定する。
ここで、集熱パネル１１が太陽熱を集熱可能な状態とは、当該集熱パネル１１に太陽光が照射されている状態を意味する。制御装置１１０は、パネル温度センサ９０によって検出される集熱パネル１１の温度の単位時間当たりの上昇量が、所定の閾値以上になった場合には、集熱パネル１１に太陽光が照射している（すなわち、集熱パネル１１が太陽熱を集熱可能である）と判定することができる。
なお、集熱パネル１１に太陽光が照射している状態としては、例えば夜が明けて日が照り始めた場合や、天気が曇りや雨等から晴れに変わった場合等が想定される。

制御装置１１０は、集熱パネル１１が太陽熱を集熱可能な状態であると判定した場合、ステップＳ１０２に移行する。
制御装置１１０は、集熱パネル１１が太陽熱を集熱可能な状態ではないと判定した場合、ステップＳ１０１の処理を再度行う。

ステップＳ１０２において、制御装置１１０は、集熱パネル１１の温度が太陽熱貯湯タンク１２内の温度未満であるか否かを判定する。
制御装置１１０は、集熱パネル１１の温度が太陽熱貯湯タンク１２内の温度未満であると判定した場合、ステップＳ１０３に移行する。
制御装置１１０は、集熱パネル１１の温度が太陽熱貯湯タンク１２内の温度以上であると判定した場合、ステップＳ１０１に移行する。

ステップＳ１０３において、制御装置１１０は、集熱パネル１１の温度と太陽熱貯湯タンク１２内の温度から、集熱パネル１１へと供給する必要がある熱量を算出する。
具体的には、太陽熱貯湯タンク１２内の温度と集熱パネル１１の温度との差、集熱パネル１１と第二熱交換器８１との間（図６参照）を循環する不凍液の量、当該不凍液の比熱等から、集熱パネル１１の温度を太陽熱貯湯タンク１２内の温度以上に上昇させるために必要な熱量を算出する。制御装置１１０は、当該熱量から、排熱貯湯タンク４２から排出する必要がある湯の量を算出することができる。
制御装置１１０は、当該ステップＳ１０３の処理を行った後、ステップＳ１０４に移行する。

ステップＳ１０４において、制御装置１１０は、制御弁７１、第一三方弁８３及び第二三方弁８４の動作を制御することにより、排熱貯湯タンク４２に蓄えられた熱を集熱パネル１１へと供給する。以下、具体的に説明する。

図６に示すように、制御装置１１０は、制御弁７１を開くことで排熱貯湯タンク４２内の湯を排水する。同時に、制御装置１１０は、第一三方弁８３及び第二三方弁８４をそれぞれ第二状態に切り替える。

この状態では、排熱貯湯タンク４２内の湯は排出管路７０を介して外部へと排出（排水）される。この際、第二熱交換器８１は、排出管路７０を流通する湯の熱を、当該第二熱交換器８１内の不凍液へと移動させる。これによって高温となった不凍液は、往管路８２ａ及び往管路１４ａを介して集熱パネル１１へと供給される。集熱パネル１１は、供給されてきた高温の不凍液からの熱によって温度が上昇する。集熱パネル１１において熱を奪われた不凍液は、復管路１４ｂ及び復管路８２ｂを介して再び第二熱交換器８１へと供給される。このように、排熱貯湯タンク４２内の湯を排出すると共に、集熱パネル１１と第二熱交換器８１との間で不凍液を循環させることで、排熱貯湯タンク４２に蓄えられた熱を集熱パネル１１へと供給することができる。

制御装置１１０は、当該ステップＳ１０４の処理を行った後、ステップＳ１０５に移行する。

ステップＳ１０５において、制御装置１１０は、集熱パネル１１の温度が太陽熱貯湯タンク１２内の温度以上であるか否かを判定する。
制御装置１１０は、集熱パネル１１の温度が太陽熱貯湯タンク１２内の温度以上であると判定した場合、ステップＳ１０６に移行する。
制御装置１１０は、集熱パネル１１の温度が太陽熱貯湯タンク１２内の温度未満であると判定した場合、ステップＳ１０４に移行する。

ステップＳ１０６において、制御装置１１０は、制御弁７１、第一三方弁８３及び第二三方弁８４の動作を制御することにより、排熱貯湯タンク４２に蓄えられた熱の集熱パネル１１への供給を停止する。以下、具体的に説明する。

図２に示すように、制御装置１１０は、制御弁７１を閉じることで排熱貯湯タンク４２内の湯の排水を停止する。同時に、制御装置１１０は、第一三方弁８３及び第二三方弁８４をそれぞれ第一状態に切り替える。

この状態では、上述の給湯システム１の基本的な動作と同様に、集熱パネル１１と太陽熱貯湯タンク１２（第一熱交換器１３）との間で不凍液を循環させることができる。この時点では、集熱パネル１１の温度は太陽熱貯湯タンク１２内の温度以上まで上昇しているため、集熱パネル１１からの熱を太陽熱貯湯タンク１２に蓄えることができる。

制御装置１１０は、当該ステップＳ１０６の処理を行った後、ステップＳ１０１に移行する。

このように、集熱パネル１１が太陽熱を集熱可能な状態になった際に（ステップＳ１０１）、集熱パネル１１の温度が太陽熱貯湯タンク１２内の温度未満である場合には（ステップＳ１０２）、排熱貯湯タンク４２に蓄えられた熱を集熱パネル１１へと供給することができる（ステップＳ１０４）。図３に示した例では、日の出の時刻ｔ１から日射量が増加し、集熱パネル１１が太陽熱を集熱可能な状態になっている。この日の出の時刻ｔ１においては、集熱パネル１１の温度は太陽熱貯湯タンク１２内の温度Ｔｔ未満であるため、排熱貯湯タンク４２に蓄えられた熱が集熱パネル１１へと供給される。

これによって、集熱パネル１１の温度を太陽熱貯湯タンク１２内の温度以上まで速やかに上昇させ（ステップＳ１０５）、当該集熱パネル１１からの熱を太陽熱貯湯タンク１２に蓄えることができるようになり（ステップＳ１０６）、エネルギー効率の向上を図ることができる。

また、このように排熱貯湯タンク４２に蓄えられた熱を集熱パネル１１へと供給することで、当該排熱貯湯タンク４２に蓄えられる貯湯熱量が減少する。図７に示した例では、日の出の時刻ｔ１から、集熱パネル１１の温度が太陽熱貯湯タンク１２内の温度Ｔｔ以上になる時刻ｔ２（図３参照）までの間、排熱貯湯タンク４２に蓄えられた熱が集熱パネル１１へと供給されている。このため、プレヒート制御を行わない場合（図４参照）に比べて、当該排熱貯湯タンク４２の貯湯熱量が減少している。

これによって、貯湯熱量が上限値Ｈｍに達してから、給湯需要によって熱量が使用されるまでの間の時間Ｗ２が、プレヒート制御を行わない場合（図４参照）に比べて短くなる。すなわち、排熱貯湯タンク４２内の湯（すなわち、余った熱）が排出される時間が短くなり、エネルギー効率の向上を図ることができる。

以上の如く、本実施形態に係る給湯システム１（コージェネレーションシステム）は、
太陽光を受けて太陽熱を集熱する集熱パネル１１（集熱器）と、
集熱パネル１１で集熱された熱を蓄える太陽熱貯湯タンク１２と、
燃料を用いて発電する発電ユニット４１（発電装置）と、
発電ユニット４１の排熱を蓄える排熱貯湯タンク４２と、
排熱貯湯タンク４２内の湯（熱媒体）を排出する排出管路７０と、
排出管路７０を流通する湯の熱を集熱パネル１１へと供給し、当該集熱パネル１１の温度を上昇させる排熱伝達機構８０と、
を具備するものである。
このように構成することにより、発電ユニット４１の排熱を利用して、集熱パネル１１の温度を上昇させることができる。これによって、集熱パネル１１の温度が太陽熱貯湯タンク１２内の温度よりも低い場合に当該集熱パネル１１の温度を上昇させることで、速やかに太陽熱を蓄えることができる状態（すなわち、集熱パネル１１の温度が太陽熱貯湯タンク１２内の温度よりも高い状態）にすることができ、ひいてはエネルギー効率の向上を図ることができる。
また、集熱パネル１１の温度を上昇させるための熱として、発電ユニット４１の排熱を用いることにより、当該発電ユニット４１の排熱の余剰分を利用することができ、よりエネルギー効率の向上を図ることができる。

また、排熱伝達機構８０は、
排出管路７０を流通する湯との間で熱交換可能な第二熱交換器８１（熱交換器）と、
集熱パネル１１と第二熱交換器８１との間で不凍液を循環させる第二管路８２（排熱伝達管路）と、
を具備するものである。
このように構成することにより、簡素な構成でエネルギー効率の向上を図ることができる。

また、第二管路８２は、
集熱パネル１１と太陽熱貯湯タンク１２との間で熱媒体を循環させる第一管路１４（太陽熱伝達管路）に接続されることで、当該第一管路１４を介して集熱パネル１１に接続され、
排熱伝達機構８０は、
第一管路１４と第二管路８２との接続部に設けられ、集熱パネル１１と太陽熱貯湯タンク１２とを連通すると共に集熱パネル１１と第二熱交換器８１との連通を遮断する第一状態と、集熱パネル１１と第二熱交換器８１とを連通すると共に集熱パネル１１と太陽熱貯湯タンク１２との連通を遮断する第二状態と、を切り替える第一三方弁８３及び第二三方弁８４（切替機構）をさらに具備するものである。
このように構成することにより、予め設けられた第一管路１４を用いることで、簡素な構成でエネルギー効率の向上を図ることができる。
また、第二管路８２からの熱媒体を集熱パネル１１内で循環させるための配管等を別途設ける必要もない（第一管路１４からの熱媒体を集熱パネル１１内で循環させるための配管等を兼用できる）ため、より簡素な構成でエネルギー効率の向上を図ることができる。

また、給湯システム１は、
集熱パネル１１の温度を検出するパネル温度センサ９０（集熱器温度検出手段）と、
太陽熱貯湯タンク１２内の温度を検出する貯湯タンク温度センサ１００（タンク温度検出手段）と、
集熱パネル１１の温度が太陽熱貯湯タンク１２内の温度未満である場合に、排出管路７０を流通する湯の熱を集熱パネル１１へと供給する制御装置１１０と、
を具備するものである。
このように構成することにより、必要な場合、すなわち集熱パネル１１の温度が太陽熱貯湯タンク１２内の温度未満であり、太陽熱を蓄えることが出来ない場合にのみ集熱パネル１１の温度を上昇させることができる。

また、制御装置１１０は、
集熱パネル１１が太陽熱を集熱可能である場合にのみ、排出管路７０を流通する湯の熱を集熱パネル１１へと供給するものである。
このように構成することにより、集熱パネル１１が太陽熱を集熱することが可能となるタイミングに合わせて、当該集熱パネル１１の温度を上昇させることができる。

なお、本実施形態においては、熱媒体として水（湯）及び不凍液を用いる構成としたが、本発明に係る熱媒体はこれに限るものではなく、任意に選択して使用することが可能である。

また、本実施形態においては、第二管路８２は第一管路１４の中途部に接続されるものとしたが、本発明はこれに限るものではない。例えば、第二管路８２は、第一管路１４ではなく集熱パネル１１に直接接続され、第二熱交換器８１と集熱パネル１１とを直接連通するものであっても良い。この場合、第一管路１４及び第二管路８２にそれぞれ熱媒体の流通の可否（開閉）を切り替える制御弁を設け、一方の制御弁が開かれた場合には他方の制御弁が閉じられる構成とすることが望ましい。

また、本実施形態においては、太陽熱貯湯タンク１２内に貯湯タンク温度センサ１００を１つ設ける構成を例示したが、本発明はこれに限るものではない。例えば、太陽熱貯湯タンク１２内に複数の貯湯タンク温度センサ１００を設け、当該複数の貯湯タンク温度センサ１００によって検出された温度の平均を、太陽熱貯湯タンク１２内の温度とすることも可能である。また、貯湯タンク温度センサ１００を太陽熱貯湯タンク１２内の下部に設け、当該太陽熱貯湯タンク１２内の下部（太陽熱貯湯タンク１２の中でも特に温度の低い部分）の温度を用いてプレヒート制御することも可能である。

また、本実施形態においては、集熱パネル１１が太陽熱を集熱可能な状態であるか否か（すなわち、集熱パネル１１に太陽光が照射しているか否か）を、集熱パネル１１の温度の単位時間当たりの上昇量を用いて判定するものとしたが（図５のステップＳ１０１参照）、本発明はこれに限るものではない。例えば、集熱パネル１１に照射される太陽光の日射量を検出するセンサを用いて判定することも可能である。また、予め予測される日の出の時刻に、集熱パネル１１が太陽熱を集熱可能となるものと判定することも可能である。また、天気予報に基づいて、集熱パネル１１が太陽熱を集熱可能となる時刻（すなわち、天気が雨や曇り等から晴れに変わる時刻）を推定することも可能である。なお、この場合の日の出の時刻や天気予報は、インターネット等を介して常に最新の情報を取得する構成とすることも可能である。

また、本実施形態においては、集熱パネル１１が太陽熱を集熱可能な状態となった場合にのみ（図５のステップＳ１０１参照）、排出管路７０を流通する湯の熱を集熱パネル１１へと供給する（ステップＳ１０４参照）ものとしたが、本発明はこれに限るものではない。

例えば、制御装置１１０に、予め予測される日の出の時刻（すなわち、集熱パネル１１が太陽熱を集熱可能となると予測される時刻）を記憶させておく。そして、ステップＳ１０１において、現在時刻から、予測される日の出の時刻までの時間が所定時間（例えば、２時間）未満となったか否か、すなわち予測される日の出の時刻の２時間（所定時間）前になったか否かを判定する。現在時刻から日の出の時刻までの時間が２時間未満となった（２時間を切った）場合には、ステップＳ１０２に移行する。

このように構成することで、集熱パネル１１が太陽熱を集熱可能な状態となるタイミングよりも前に、予め集熱パネル１１の温度を上昇させることができる。これによって、より速やかに太陽熱を蓄えることができる。

また、本実施形態のステップＳ１０３（図５参照）における算出結果（集熱パネル１１へと供給する必要がある熱量）を、プレヒート制御に利用することが可能である。例えば、集熱パネル１１へと供給する必要がある熱量が、排熱貯湯タンク４２に蓄えられた熱量よりも大きい場合には、集熱パネル１１への熱の供給（ステップＳ１０４参照）を行わないものとすることも可能である。これによって、排熱貯湯タンク４２内に蓄えられた熱が不足するのを防止し、排熱貯湯タンク４２に設けられた補助熱源の使用を出来る限り避けることができる。

また、本発明に係る集熱器は、本実施形態に係る集熱パネル１１に限るものではない。例えば、集熱器として、太陽熱を集熱すると同時に太陽光を受けて発電する太陽光発電装置を用いることも可能である。

また、本発明に係る発電装置は、本実施形態に係る発電ユニット４１（ＳＯＦＣ）に限るものではない。例えば、電気負荷の消費電力に関する情報を学習する機能（学習機能）を有し、学習された情報に基づいて発電計画を更新することが可能なＰＥＦＣ（固体高分子形燃料電池）等、種々の方式の発電装置を用いることが可能である。

１ 給湯システム（コージェネレーションシステム）
１０ 太陽熱温水システム
１１ 集熱パネル（集熱器）
１２ 太陽熱貯湯タンク
１４ 第一管路（太陽熱伝達管路）
４０ 燃料電池システム
４１ 発電ユニット（発電装置）
４２ 排熱貯湯タンク
６０ 給湯管路
７０ 排出管路
８０ 排熱伝達機構
８１ 第二熱交換器（熱交換器）
８２ 第二管路（排熱伝達管路）
８３ 第一三方弁（切替機構）
８４ 第二三方弁（切替機構）
９０ パネル温度センサ（集熱器温度検出手段）
１００ 貯湯タンク温度センサ（タンク温度検出手段）
１１０ 制御装置

Claims (5)

1. 太陽光を受けて太陽熱を集熱する集熱器と、
   前記集熱器で集熱された熱を蓄える太陽熱貯湯タンクと、
   燃料を用いて発電する発電装置と、
   前記発電装置の排熱を蓄える排熱貯湯タンクと、
   前記排熱貯湯タンク内の熱媒体を排出する排出管路と、
   前記排出管路を流通する熱媒体の熱を前記集熱器へと供給し、当該集熱器の温度を上昇させる排熱伝達機構と、
   前記集熱器の温度を検出する集熱器温度検出手段と、
   前記太陽熱貯湯タンク内の温度を検出するタンク温度検出手段と、
   前記集熱器の温度が前記太陽熱貯湯タンク内の温度未満である場合に、前記排出管路を流通する熱媒体の熱を前記集熱器へと供給する制御装置と、
   を具備するコージェネレーションシステム。
2. 前記排熱伝達機構は、
   前記排出管路を流通する熱媒体との間で熱交換可能な熱交換器と、
   前記集熱器と前記熱交換器との間で熱媒体を循環させる排熱伝達管路と、
   を具備する、
   請求項１に記載のコージェネレーションシステム。
3. 前記排熱伝達管路は、
   前記集熱器と前記太陽熱貯湯タンクとの間で熱媒体を循環させる太陽熱伝達管路に接続されることで、当該太陽熱伝達管路を介して前記集熱器に接続され、
   前記排熱伝達機構は、
   前記太陽熱伝達管路と前記排熱伝達管路との接続部に設けられ、前記集熱器と前記太陽熱貯湯タンクとを連通すると共に前記集熱器と前記熱交換器との連通を遮断する第一状態と、前記集熱器と前記熱交換器とを連通すると共に前記集熱器と前記太陽熱貯湯タンクとの連通を遮断する第二状態と、を切り替える切替機構をさらに具備する、
   請求項２に記載のコージェネレーションシステム。
4. 前記制御装置は、
   前記集熱器が太陽熱を集熱可能である場合にのみ、前記排出管路を流通する熱媒体の熱を前記集熱器へと供給する、
   請求項１に記載のコージェネレーションシステム。
5. 前記制御装置は、
   現在時刻から、前記集熱器が太陽熱を集熱可能となると予測される時刻までの時間が所定時間未満になった場合にのみ、前記排出管路を流通する熱媒体の熱を前記集熱器へと供給する、
   請求項１に記載のコージェネレーションシステム。

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