JP6611649B2 - 熱電併給システム - Google Patents

Description

本発明は、熱と電気とを併せて発生させる熱電併給装置と、排熱回収装置と、制御装置とを備え、排熱回収装置は、熱電併給装置の出力電力を消費可能な電気ヒーター装置と、熱電併給装置で発生された熱及び電気ヒーター装置で発生した熱を蓄えることができる蓄熱装置とを有する熱電併給システムに関する。

特許文献１（特開２００４−２６３９４２号公報）には、熱と電気とを併せて発生させる熱電併給装置と、蓄熱装置と、熱電併給装置の出力電力を消費可能な電気ヒーター装置とを備える熱電併給システムが記載されている。この熱電併給システムは、このような電気ヒーター装置を備えることで、熱電併給装置の出力電力に余剰が発生しても、その電力を熱に変換して回収できるという利点がある。

但し、このような熱電併給システムでは、熱電併給装置と蓄熱装置との間で熱媒を循環させて、その熱媒によって熱電併給装置から回収した熱を蓄熱装置で蓄えるという方式が採用するものが多い。つまり、その場合の熱媒は、熱電併給装置から熱を回収する役割と、熱電併給装置を冷却する役割とを担っている。従って、蓄熱装置で既に蓄えられている熱量が多くなると、熱電併給装置へと供給される熱媒の温度が高くなる。そして、熱電併給装置へ供給する熱媒の温度が高くなると、熱電併給装置を十分に冷却できないという問題が生じる。そのため、特許文献１に記載の熱電併給システムでも、蓄熱装置の蓄熱量が多くなり過ぎて上限値に達すると（即ち、満蓄状態になると）、熱電併給装置の運転を停止するように構成されている。

特開２００４−２６３９４２号公報

特許文献１に記載のように熱電併給装置の運転を停止すると、電力負荷及び熱負荷には熱電併給装置から電力及び熱を供給できなくなるため、電力系統から電力を購入すること及び燃料を燃焼して熱を発生させる熱源機を運転することなどが必要になる。その結果、熱電併給装置の運転を継続した場合に比べて、省エネルギーが達成できない可能性が生じる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、蓄熱装置の満蓄状態が予測されるとき、熱電併給装置を運転継続するか或いは運転停止するかを適切に判定できる熱電併給システムを提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る熱電併給システムの特徴構成は、熱と電気とを併せて発生させる熱電併給装置と、排熱回収装置と、制御装置とを備え、前記排熱回収装置は、前記熱電併給装置の出力電力を消費可能な電気ヒーター装置と、前記熱電併給装置で発生された熱及び前記電気ヒーター装置で発生した熱を蓄えることができる蓄熱装置とを有し、前記熱電併給装置で発生された熱及び前記蓄熱装置に蓄熱されている熱を熱負荷装置に供給可能であり、前記制御装置は、前記熱電併給装置の電力系統への連系運転時に当該電力系統への逆潮流が発生しないように、前記熱電併給装置の出力電力のうちの余剰電力を前記電気ヒーター装置で消費させる通常運転モードを実行でき、及び、前記熱電併給装置を運転しているときに前記蓄熱装置での蓄熱量が所定の上限値に達すると、前記熱電併給装置の運転を停止させる熱電併給システムであって、
前記制御装置は、
前記熱電併給装置の前記連系運転時に前記電力系統への逆潮流が発生しないように、前記熱電併給装置の出力電力のうちの余剰電力の少なくとも一部を前記電気ヒーターとは別の機器で消費させることで、前記電気ヒーター装置で消費させる電力を減少させる余剰電力削減運転モードを実行でき、
前記通常運転モードを実行しながら前記熱電併給装置の前記連系運転を行うことで将来の所定期間内に前記蓄熱装置の蓄熱量が上限値に達すると予測されるとき、
現時点から、前記通常運転モードを実行しながら前記熱電併給装置の前記連系運転を行い、前記蓄熱装置での蓄熱量が前記上限値に達することで前記熱電併給装置の運転を停止させた後、前記蓄熱装置での蓄熱量が前記上限値を下回るのに伴って前記熱電併給装置の再起動を完了する予測起動完了タイミングまでの間での、予測電力負荷及び予測熱負荷を賄うのに要する消費一次エネルギー量又はエネルギーコスト又は環境負荷量或いはそれらのうちの２つ以上の組合せを通常運転時評価値として計算し、
現時点から前記予測起動完了タイミングまでの間で、前記余剰電力削減運転モードを実行しながら前記熱電併給装置の前記連系運転を行うことで前記蓄熱装置の蓄熱量が前記上限値に達することを回避して前記熱電併給装置を停止させない状態で、予測電力負荷及び予測熱負荷を賄うのに要する消費一次エネルギー量又はエネルギーコスト又は環境負荷量或いはそれらのうちの２つ以上の組合せを余剰電力削減時評価値として計算して、
前記余剰電力削減時評価値が前記通常運転時評価値よりも良いとき、前記余剰電力削減運転モードを実行しながら前記熱電併給装置の運転を行い、及び、前記余剰電力削減時評価値が前記通常運転時評価値よりも悪いとき、前記通常運転モードを実行しながら前記熱電併給装置の運転を行う点にある。

上記特徴構成によれば、制御装置は、熱電併給装置の電力系統への連系運転時にその電力系統への逆潮流が発生しないように、熱電併給装置の出力電力のうちの余剰電力を電気ヒーター装置で消費させる通常運転モードを実行でき、電気ヒーター装置で発生した熱を蓄熱装置に蓄えることができる。つまり、通常運転モードでは、余剰電力を熱エネルギーに変換して蓄えて、その後、必要に応じて熱負荷装置で利用できるという利点がある。
また、制御装置は、熱電併給装置の連系運転時に電力系統への逆潮流が発生しないように、熱電併給装置の出力電力のうちの余剰電力の少なくとも一部を電気ヒーターとは別の機器で消費させることで、電気ヒーター装置で消費させる電力を減少させる余剰電力削減運転モードを実行できる。つまり、余剰電力削減運転モードでは、電気ヒーターとは別の機器で消費する分の電力は廃棄されるものの、電気ヒーター装置で発生する熱は相対的に小さくなるため、蓄熱装置の蓄熱量の増加が抑制される。その結果、蓄熱装置の蓄熱量が上限値に達することを回避して、熱電併給装置を停止させずに運転継続できるという利点がある。また、熱電併給装置を停止させずに運転継続できるため、熱電併給装置の停止工程や再起動工程を行うために要するエネルギー等が不要になるという利点がある。

そこで本特徴構成では、通常運転モードを実行しながら熱電併給装置の連系運転を行うことで将来の所定期間内に蓄熱装置の蓄熱量が上限値に達すると予測されるとき、通常運転モードを実行した場合の上記通常運転時評価値と余剰電力削減時評価値とを対比して、評価値が良好な方の運転モードを実行しながら熱電併給装置を運転することにした。
従って、蓄熱装置の満蓄状態が予測されるとき、熱電併給装置を運転継続するか或いは運転停止するかを適切に判定できる熱電併給システムを提供できる。

本発明に係る熱電併給システムの別の特徴構成は、前記制御装置は、前記熱電併給装置及び前記排熱回収装置を構成する複数の付属機器のうち、少なくとも一つの前記付属機器の出力を上昇させる出力上昇運転を行わせることで前記余剰電力削減運転モードを実行する点にある。

上記特徴構成によれば、付属機器の出力を上昇させて余剰電力の一部を消費することができる。

本発明に係る熱電併給システムの更に別の特徴構成は、前記複数の付属機器の上限出力についての情報を記憶する記憶装置を備え、
前記制御装置は、前記熱電併給装置の出力電力のうちの余剰電力、並びに、前記複数の付属機器のうち、前記付属機器の現在出力及び前記上限出力を考慮して、前記出力上昇運転を行わせる少なくとも一つの前記付属機器を決定する点にある。

上記特徴構成によれば、制御装置は、付属機器に出力上昇運転を行わせるとき、その付属機器の現在出力及び上限出力を考慮して、出力の上昇余力を認識できる。その結果、制御装置は、各付属機器の出力の上昇余力を参照して、例えば、出力上昇運転を行わせる各付属機器の上昇余力の合計が上記余剰電力に近づくように、出力上昇運転を行わせる少なくとも一つの付属機器を決定できる。

熱電併給システムの構成を示す図である。 発電ユニット及び排熱回収ユニットの構成を示す図である。 発電ユニットの運転モードを決定する運転モード決定処理を説明するフローチャートである。 通常運転時評価値及び余剰電力削減時評価値の評価値計算期間を説明する図である。

以下に図面を参照して本発明の実施形態に係る熱電併給システムについて説明する。
図１は、熱電併給システムの構成を示す図である。図２は、発電ユニット及び排熱回収ユニットの構成を示す図である。図示するように、熱電併給システムは、発電ユニット１０（本発明の熱電併給装置の一例）と、排熱回収ユニット２０（本発明の排熱回収装置の一例）と、制御装置Ｃとを備える。発電ユニット１０は、熱と電気とを併せて発生させる装置である。排熱回収ユニット２０は、発電ユニット１０の出力電力を消費可能な余剰電力消費用ヒーター２２（本発明の電気ヒーター装置の一例）と、発電ユニット１０で発生された熱及び余剰電力消費用ヒーター２２で発生した熱を蓄えることができる蓄熱装置２１とを有し、発電ユニット１０で発生された熱及び蓄熱装置２１に蓄熱されている熱を熱負荷装置２４に供給できる。また、本実施形態では、熱電併給システムは、熱を発生する熱源機４０を備え、その熱源機４０からも熱負荷装置２４に熱を供給できる。

〔発電ユニット〕
本実施形態において、熱電併給部としての燃料電池部１２は、水素などの燃料ガスが供給される燃料極３３と酸素が供給される空気極３２とを有するセルが複数個積層されたセルスタックを有して構成される。燃料電池部１２は、固体高分子形のセルや固体酸化物形のセルなど、様々なタイプのセルを用いて構成することができる。また、本実施形態の発電ユニット１０は、燃料電池部１２に対して、炭化水素等の水蒸気改質によって生成した燃料ガス（水素等）を供給するための燃料改質部１３を併せて備えている。つまり、燃料電池部１２は、燃料を消費する運転を行って熱と電気とを併せて発生させる装置である。

燃料電池部１２の発電電力は、インバータを有する、或いは、コンバータ及びインバータ等を有する電力変換部１１を介して連系電力線４及び自立電力線５の何れか一方に出力される。尚、以下の説明では、燃料電池部１２から出力される電力のことを発電電力と記載し、発電ユニット１０から出力される電力のことを出力電力と記載する。電力変換部１１から連系電力線４に出力電力が供給されている状態は、発電ユニット１０が連系運転を行っている状態であると言える。これに対して、電力変換部１１から自立電力線５に出力電力が供給されている状態は、発電ユニット１０が自立運転を行っている状態であると言える。また、連系電力線４は、電力系統１に接続される交流線２に対して接続され、その交流線２は切替スイッチ６に接続されている。自立電力線５は切替スイッチ６に対して上記交流線２とは別に接続されている。切替スイッチ６は、排熱回収ユニット２０にとっての電力供給元を、交流線２を介して供給される電力、及び、自立電力線５を介して供給される電力の何れかに切り替えるように動作する。この切替スイッチ６の動作は、制御装置Ｃによって制御されてもよいし、発電ユニット１０からの電力供給先の変更（即ち、自立電力線５を介した電力供給の有無）に応じて自動的に切替スイッチ６が動作するような構成であってもよい。

制御装置Ｃは、電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われる正常状態になると交流線２に発電ユニット１０の出力電力を供給する連系運転を行い、電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われない異常状態になると電力系統１から電気的に切り離された自立電力線５に発電ユニット１０の出力電力を供給する自立運転を行うように構成されている。本実施形態では、制御装置Ｃは、電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われる正常状態であるか、或いは、電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われない異常状態であるかを、例えば、計器用変圧器ＶＴで検出される交流線２の電圧を参照して判定する。つまり、制御装置Ｃは、検出された電圧値が設定下限電圧以上であれば電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われている正常状態であると判定し、検出された電圧値が設定下限電圧未満であれば電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われていない異常状態であると判定する。

このようにして、制御装置Ｃは、発電ユニット１０の電力系統１への連系運転時には電力消費装置に対して電力系統１及び発電ユニット１０の少なくとも何れか一方から電力を供給し、発電ユニット１０の自立運転時には電力消費装置に対して発電ユニット１０から電力を供給する。連系運転時における上記電力消費装置には、交流線２に接続されている一般電力負荷装置３と排熱回収ユニット２０とが含まれる。これに対して、自立運転時における上記電力消費装置には、自立負荷装置９と排熱回収ユニット２０とが含まれる。

尚、発電ユニット１０の出力電力が自立電力線５に供給されている自立運転時において、自立運転の一形態としての発電ユニット１０のアイドリング運転が行われることもある。具体的には、制御装置Ｃは、発電ユニット１０の出力電力を自立電力線５に供給させている状態において、計器用変流器ＣＴ２で計測される電力消費装置（自立負荷装置９及び排熱回収ユニット２０）の消費電力が、発電ユニット１０の出力電力よりも大きくなると、開閉器１６を一時的に開放させて、自立負荷装置９への電力供給を一時的に停止させるようなアイドリング運転を行うこともある。

〔排熱回収ユニット〕
排熱回収ユニット２０は、発電ユニット１０からの排熱を回収するように構成されている。例えば、排熱回収ユニット２０は、発電ユニット１０の燃料電池部１２を運転しているとき、発電ユニット１０と貯湯タンク２１（本発明の蓄熱装置の一例）との間で熱媒としての湯水を循環させながら、発電ユニット１０で発生された熱の回収と、貯湯タンク２１への蓄熱とを行わせるように構成されている。そのため、排熱回収ユニット２０は、熱を蓄えるための貯湯タンク２１、及び、冷却水やその冷却水と熱交換する熱媒の循環路や、その熱媒の循環路の途中に設けられて熱媒を流動させるための電動式ポンプ及び電磁弁などの付属機器２３で構成される。従って、排熱回収ユニット２０では、燃料電池部１２のセルスタックを冷却するために、発電ユニット１０の連系運転が行われている間及び自立運転が行なわれている間の何れにおいても、排熱を回収する運転を行う必要があり、その結果として上記付属機器２３において電力が消費されることになる。排熱回収ユニット２０への電力供給は、切替スイッチ６に接続される内部電力線１７を介して行われる。

図１に示すシステムでは、一般電力負荷装置３及び自立負荷装置９を記載している。一般電力負荷装置３は、電力系統１と接続される交流線２に対して電気的に接続されている。従って、一般電力負荷装置３は、電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われる正常状態においては電力の供給を受けることができるが、電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われていない異常状態においては電力の供給を受けることができない。従って、本実施形態で言う一般電力負荷装置３は、異常状態において電力の供給を受ける必要性が低い装置（例えば、一部の照明装置など）である。

これに対して、自立負荷装置９は、後述するように、電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われない異常状態において発電ユニット１０から電力の供給を受けることができる。自立負荷装置９に電力が供給されるのは、自立電力線５を経由して電気コンセント７に対して電力が供給され、且つ、電気コンセント７に対して電気プラグ８が接続されているときである。自立負荷装置９は、使用者が電力系統１から交流線２への電力供給が正常に行われない異常状態においても利用したいと考える重要度の高い装置（例えば、一部の照明機器、冷蔵庫など）である。

図２は、発電ユニット１０及び排熱回収ユニット２０の構成を示す図である。
発電ユニット１０の主要な構成部分として、燃料改質部１３と燃料電池部１２とがある。
燃料改質部１３では、原燃料流路Ｌ１を通って改質器３０へ原燃料が供給され、改質器３０で生成された改質ガスが改質ガス流路Ｌ２を通って燃料電池部１２の燃料極３３に供給される。燃料電池部１２の空気極３２には、発電用空気流路Ｌ８を通って酸素（空気）が供給される。そして、燃料電池部１２で発電が行われる。また、改質器３０には、改質器３０の温度を適切な温度にするための加熱用ヒーター１９が設けられている。
空気極３２に供給する酸素の量は、制御装置ＣがブロアＢ２の動作を制御することで調節される。また、加熱用ヒーター１９の出力も制御装置Ｃによって制御される。

燃料電池部１２は電解質膜（図示せず）を燃料極３３及び空気極３２で挟んで構成されるセルを複数積層して備える。尚、図２中では簡略化のため単一のセルのみを記載している。また、燃料電池部１２は、発電時に発生する熱を回収することで燃料電池部１２を冷却する冷却部３４を備える。本実施形態では水冷式の冷却部３４を設けている。具体的には、この冷却部３４には後述する電池冷却水流路Ｌ６を循環する水（以下、「回収水」と記載する）が供給されて、燃料電池部１２の冷却が行われる。冷却部３４を通過することで温度が上昇した回収水は、電池冷却水流路Ｌ６の途中に設けられた排熱回収用熱交換器３８に流入する。詳細は後述するが、この排熱回収用熱交換器３８において、回収水は、排熱回収流路Ｌ１０を流れる湯水と熱交換して燃料電池部１２から回収した排熱をその湯水に渡す。湯水は、蓄熱装置としての貯湯タンク２１に貯えられ、そこで蓄熱が行われる。また、排熱回収流路Ｌ１０の途中には、排熱回収流路Ｌ１０を流れる湯水の凍結を予防するための凍結予防用ヒーター２９が設けられている。
冷却部３４を流れる回収水の量は、制御装置ＣがポンプＰ４の動作を制御することで調節される。また、凍結予防用ヒーター２９の出力も制御装置Ｃによって制御される。

改質器３０には、炭化水素を含む原燃料（例えば、メタンを含む都市ガスなど）が供給される。また、蒸気生成器４１には、後述する電池冷却水タンク３５で貯えられる回収水が改質用水流路Ｌ１３を通ってポンプＰ６によって供給され、そして、改質器３０には、蒸気生成器４１で生成された水蒸気が改質用水流路Ｌ１３を通って供給される。改質器３０は、併設される燃焼室３１から与えられる燃焼熱を利用して、原燃料の水蒸気改質を行う。改質器３０での水蒸気改質により得られた水素を主成分とする燃料ガスは、改質ガス流路Ｌ２を介して燃料極３３に供給される。
改質器３０に供給する原燃料の量は、制御装置ＣがブロアＢ３の動作を制御することで調節され、及び、改質器３０に供給する水蒸気の量は、制御装置ＣがポンプＰ６の動作を制御することで調節され、それにより燃料極３３に供給される改質ガスの量が調節される。

燃料極３３では、供給された全ての燃料ガスが発電反応で消費される訳ではない。そのため、燃料極３３から排出される燃料極排ガスの中には水素等の燃料ガスの成分が残存している。そこで、燃焼室３１での燃焼用ガスとして、燃料極排ガスを利用している。具体的には、燃料極３３から燃焼室３１へ、燃料極排ガス流路Ｌ３を介して燃料極排ガスを供給する。また、燃焼室３１での燃焼に利用される酸素が、燃焼用空気流路Ｌ９を通って燃焼室３１に供給される。そして、燃焼室３１で燃焼された後の燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路Ｌ４を介して外部に排出される。空気極３２で利用された後の空気極排ガスは、空気極排ガス流路Ｌ５を通って排出される。
燃焼室３１に供給する空気の量は、制御装置ＣがブロアＢ１の動作を制御することで調節される。

燃焼排ガス及び空気極排ガスには水分が含まれている。そのため、その水分を回収する目的で、燃焼排ガス流路Ｌ４及び空気極排ガス流路Ｌ５を複合熱交換器３９の部分で合流させ、且つ、燃焼排ガス及び空気極排ガスを冷却するための排熱回収流路Ｌ１０を複合熱交換器３９に通している。つまり、燃焼排ガス及び空気極排ガスに含まれる水分が、排熱回収流路Ｌ１０を流れる湯水によって複合熱交換器３９で冷却されて凝縮し、その凝縮水が回収水として回収水タンク３６へと回収される。

このように、回収水タンク３６に貯えられている回収水は、燃料極排ガス中に含まれていた水分や、燃焼排ガス中に含まれていた水分が混入しているため、電解質や水に溶解しない不純物などを含んでいることが想定される。そのため、回収水が、回収水流路Ｌ７の途中に設けられるイオン交換樹脂３７によって処理されるように構成してある。イオン交換樹脂３７で処理された後の回収水は、電池冷却水タンク３５で貯えられる。そして、上述したように、電池冷却水タンク３５から電池冷却水流路Ｌ６へと流れ出した回収水が冷却部３４へと供給され、及び、電池冷却水タンク３５から改質用水流路Ｌ１３へと流れ出した回収水が蒸気生成器４１へと供給される。
回収水流路Ｌ７を流れる回収水の量、即ち、イオン交換樹脂３７で処理される回収水の量は、制御装置ＣがポンプＰ３の動作を制御することで調節される。

排熱回収ユニット２０は、貯湯タンク２１に貯えている湯水が貯湯タンク２１と排熱回収用熱交換器３８との間で循環する排熱回収流路Ｌ１０を有する。具体的には、湯水が、貯湯タンク２１から、複合熱交換器３９と、排熱回収用熱交換器３８と、余剰電力消費用ヒーター２２とを経由して貯湯タンク２１に帰還するように排熱回収流路Ｌ１０が設けられている。その結果、排熱回収用熱交換器３８において回収水から回収した排熱（即ち、発電ユニット１０から回収した排熱）は、排熱回収流路Ｌ１０を流れる湯水に与えられ、その湯水は貯湯タンク２１に貯えられる。また、発電ユニット１０の出力電力のうちの余剰電力を消費する余剰電力消費用ヒーター２２で発生した熱も排熱回収流路Ｌ１０を流れる湯水に与えられ、その湯水は貯湯タンク２１に蓄えられる。排熱回収流路Ｌ１０における湯水の流速はポンプＰ２によって調整される。
排熱回収流路Ｌ１０を流れる湯水の量は、制御装置ＣがポンプＰ２の動作を制御することで調節される。

排熱回収ユニット２０が有する余剰電力消費用ヒーター２２の消費電力は、制御装置Ｃによって制御される。具体的には、制御装置Ｃは、発電ユニット１０の出力電力のうちの余剰電力を余剰電力消費用ヒーター２２で消費させて、余剰電力消費用ヒーター２２で発生する熱を排熱回収流路Ｌ１０を流れる湯水に伝達して貯湯タンク２１に蓄えさせる。例えば、制御装置Ｃは、計器用変流器ＣＴ１の検出結果に基づいて導出できる電力系統１からの受電電力がゼロ以上になるように、余剰電力消費用ヒーター２２の消費電力を調節する。このような制御が行われることで、発電ユニット１０から電力系統１への電力の逆潮流が発生しないようにできる。このような余剰電力は、消費電力が急激に減少して発電ユニット１０の出力電力の減少がその消費電力の急減少に追従できなかった場合や、消費電力が発電ユニット１０の最低出力電力未満になった場合などに発生し得る。

排熱回収ユニット２０は、貯湯タンク２１に蓄えている湯水が熱源機４０を経由して熱負荷装置２４に供給されるときに流れる給湯路Ｌ１２を有する。図示は省略するが、熱源機４０は、送風ファンなどによって供給される酸素（空気）を用いて燃料を燃焼して熱を発生する装置である。また、排熱回収ユニット２０は、貯湯タンク２１に水を供給する給水路Ｌ１１を有する。給水路Ｌ１１は、分岐部２５で、貯湯タンク２１に接続される給水路Ｌ１１ａと貯湯タンク２１には接続されない給水路Ｌ１１ｂとに分岐する。給水路Ｌ１１ｂは、熱源機４０の上流側の合流部２７で給湯路Ｌ１２に接続される。更に、給水路Ｌ１１ｂの途中の分岐部２６で、熱源機４０の下流側に接続される給水路Ｌ１１ｃが分岐する。給水路Ｌ１１ｃは、熱源機４０の下流側の合流部２８で給湯路Ｌ１２に接続される。このように、貯湯タンク２１から供給される湯及び熱源機４０で加熱された後の湯に水を加えることができる構成を採用することで、熱負荷装置２４に対して適切な温度の湯水を供給できる。尚、熱負荷装置２４が、湯水の熱のみを利用する床暖房装置などの場合、熱負荷装置２４で熱が利用された後の湯水は貯湯タンク２１に帰還する。或いは、熱負荷装置２４が、湯水自体を利用する給湯装置などの場合、貯湯タンク２１には湯水は帰還しない。熱源機４０は、熱負荷装置２４で要求される湯水を所定温度に昇温した上で熱負荷装置２４に供給する際に使用される。

以上のように、発電ユニット１０は、ブロアＢ１，Ｂ２，Ｂ３及びポンプＰ２，Ｐ３，Ｐ４及び加熱用ヒーター１９及び凍結予防用ヒーター２９などを付属機器１４として備えている。また、排熱回収ユニット２０は、熱源機４０の送風ファンなどを付属機器２３として備えている。

発電ユニット１０の出力電力に余剰が発生すると判定するときの判定基準は適宜設定可能である。例えば、制御装置Ｃは、発電ユニット１０の出力電力が電力消費装置の消費電力よりも大きくなるときに余剰が発生すると判定し、発電ユニット１０の出力電力が電力消費装置の消費電力以下のときに余剰が発生しないと判定してもよい。或いは、制御装置Ｃは、発電ユニット１０の出力電力が電力消費装置の消費電力よりも大きい場合、又は、発電ユニット１０の出力電力が電力消費装置の消費電力以下であるがその差が所定値未満であるときに余剰が発生すると判定してもよい。

制御装置Ｃは、発電ユニット１０で発電を行って電力を出力しているとき、電力変換部１１から出力する電流及び電圧に基づいて、発電ユニット１０からの出力電力を知ることができる。また、連系運転時であれば、制御装置Ｃは、交流線２に設置された計器用変流器ＣＴ３の計測結果に基づいて、連系運転時の電力消費装置（一般電力負荷装置３及び排熱回収ユニット２０）の消費電力を知ることができる。或いは、自立運転時であれば、制御装置Ｃは、自立電力線５に設置されている計器用変流器ＣＴ２の計測結果に基づいて、自立運転時の電力消費装置（自立負荷装置９及び排熱回収ユニット２０）の消費電力を知ることができる。

〔発電ユニット１０の運転制御〕
本実施形態では、制御装置Ｃは、発電ユニット１０の出力電力を最低出力と最大出力との間の所定の出力で電力消費装置（一般電力負荷装置３又は自立負荷装置９、及び、排熱回収ユニット２０）の消費電力に追従させる。
制御装置Ｃは、通常運転モード又は余剰電力削減運転モードを実行できる。
通常運転モードは、発電ユニット１０の電力系統１への連系運転時に当該電力系統１への逆潮流が発生しないように、発電ユニット１０の出力電力のうちの余剰電力を余剰電力消費用ヒーター２２で消費させる運転モードである。余剰電力削減運転モードは、発電ユニット１０の連系運転時に電力系統１への逆潮流が発生しないように、発電ユニット１０の出力電力のうちの余剰電力の少なくとも一部を余剰電力消費用ヒーター２２とは別の機器で優先して消費させることで、余剰電力消費用ヒーター２２で消費させる電力を減少させる運転モードである。例えば、発電ユニット１０及び排熱回収ユニット２０を構成する複数の付属機器１４，２３のうちの所定の付属機器の消費電力を上昇させて消費させることで、余剰電力消費用ヒーター２２で消費させる電力を減少させる。つまり、通常運転モードでは、余剰電力消費用ヒーター２２で電力が熱に変換されて貯湯タンク２１に蓄えられるため、貯湯タンク２１の蓄熱量は増加する。これに対して、余剰電力削減運転モードでは、付属機器で消費される分だけ余剰電力が減少するので、余剰電力消費用ヒーター２２で消費される電力は減少し、貯湯タンク２１の蓄熱量の増加も抑制される。

また、制御装置Ｃは、何れの運転モードを行っていても、発電ユニット１０を運転しているときに貯湯タンク２１での蓄熱量が上限値に達すると、発電ユニット１０の運転（即ち、燃料電池部１２）を停止させる。貯湯タンク２１は、上部側には高温層を形成し、下部側には低温層を形成した温度成層を形成する状態で湯水を貯える。また、貯湯タンク２１には、貯えている湯水の温度を測定するための温度センサＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４が上部側から下部側にかけて間隔をおいて設置されている。例えば、温度センサＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４のそれぞれが，貯湯タンク２１内で上方から下方にかけて貯えられている４つの湯水部分の温度を検出していると見なすと、制御装置Ｃは、各温度センサが検出した温度と、各温度センサが検出する湯水部分の量とに基づいて、貯湯タンク２１の蓄熱量を導出できる。或いは、制御装置Ｃは、最も下方（即ち、最も低温側）の湯水の温度を検出する温度センサＴ４の検出温度が設定上限温度以上になると、貯湯タンク２１での蓄熱量が上限値に達すると判定してもよい。

図３は、発電ユニット１０の運転モードを決定する運転モード決定処理を説明するフローチャートである。制御装置Ｃは、この運転モード決定処理を、例えば１時間に１回などの所定のタイミングで実行する。
工程＃１０において制御装置Ｃは、通常運転モードを実行しながら発電ユニット１０の連系運転を行うことで将来の所定期間内に貯湯タンク２１の蓄熱量が上限値に達するか否か（即ち、満蓄状態になるか否か）を判定する。つまり、制御装置Ｃは、通常運転モードを実行しながら、予測熱負荷を発電ユニット１０で発生する熱及び熱源機４０で発生する熱及び貯湯タンク２１に蓄えられている熱の少なくとも一つで賄い、並びに、予測電力負荷を発電ユニット１０の発電出力及び電力系統１から調達する電力の少なくとも一つで賄う熱電供給運転を行うと仮定した場合に、将来の所定期間内の予測満蓄発生タイミングに貯湯タンク２１での蓄熱量が上限値に達すると予測される予測満蓄発生条件が満たされるか否かを判定する。つまり、予測熱負荷のうち、発電ユニット１０で発生する熱及び貯湯タンク２１に蓄えられている熱で賄えない分の熱が、熱源機４０で発生する熱によって賄われる。また、予測電力負荷のうち、発電ユニット１０の発電出力で賄えない分の電力が、電力系統１から調達する電力で賄われる。

電力負荷計測手段Ｍｅを用いて過去の消費電力を計測して記憶している。また、熱負荷計測手段Ｍｈを用いて過去の消費電力を計測して記憶している。そして、制御装置Ｃは、過去の消費電力に基づいて将来の予測電力負荷を導出し、過去の熱負荷に基づいて将来の予測熱負荷を導出する。

そして、制御装置Ｃは、満蓄状態になると判定した場合には工程＃１１に移行し、満蓄状態にならないと判定した場合には工程＃１４に移行する。

工程＃１１において制御装置Ｃは、現時点から、満蓄状態になって停止した後、予定運転時間帯に運転することを目標として起動工程を行ったときの予測起動完了タイミングまでの間で、通常運転時評価値と余剰電力削減時評価値とを計算する。
具体的には、制御装置Ｃは、現時点から、通常運転モードを実行しながら発電ユニット１０の連系運転を行い、貯湯タンク２１での蓄熱量が上限値に達することで発電ユニット１０の運転を停止させた後、貯湯タンク２１での蓄熱量が上限値を下回るのに伴って発電ユニット１０の再起動を完了する予測起動完了タイミングまでの間での、予測電力負荷及び予測熱負荷を賄うのに要する消費一次エネルギー量又はエネルギーコスト又は環境負荷量或いはそれらのうちの２つ以上の組合せを通常運転時評価値として計算する。例えば、制御装置Ｃは、予測電力負荷及び予測熱負荷を賄うときの、発電ユニット１０を運転させるのに要し及び熱源機４０を運転させるのに要し及び電力系統１から調達する電力を発生させるのに要する消費一次エネルギー量又はエネルギーコスト又は環境負荷量或いはそれらのうちの２つ以上の組合せを通常運転時評価値として計算する。

また、制御装置Ｃは、現時点から予測起動完了タイミングまでの間で、余剰電力削減運転モードを実行しながら発電ユニット１０の連系運転を行うことで貯湯タンク２１の蓄熱量が前記上限値に達することを回避して発電ユニット１０を停止させない状態で、予測電力負荷及び予測熱負荷を賄うのに要する消費一次エネルギー量又はエネルギーコスト又は環境負荷量或いはそれらのうちの２つ以上の組合せを余剰電力削減時評価値として計算する。例えば、制御装置Ｃは、予測電力負荷及び予測熱負荷を賄うときの、発電ユニット１０を運転させるのに要し及び熱源機４０を運転させるのに要し及び電力系統１から調達する電力を発生させるのに要する消費一次エネルギー量又はエネルギーコスト又は環境負荷量或いはそれらのうちの２つ以上の組合せを余剰電力削減時評価値として計算する。

図４は、通常運転時評価値及び余剰電力削減時評価値を計算する期間となる評価値計算期間を説明する図である。図示するように、例えば、現時点（午前０時）から、通常運転モードを実行しながら発電ユニット１０の連系運転を行った場合、貯湯タンク２１への蓄熱量が増加して、午前３時に貯湯タンク２１の蓄熱量が上限値に達する（満蓄状態になる）と予測される。そのため、午前３時から発電ユニット１０の燃料電池部１２の停止工程を開始して、その後、停止状態が維持される。但し、午前６時以降（予測運転時間帯）には予測熱負荷が存在しているため、貯湯タンク２１の熱がその予測熱負荷で消費されて、貯湯タンク２１の蓄熱量が上限値を下回るのに伴って、発電ユニット１０の燃料電池部１２の再起動が開始され、その後、起動工程が完了する（予測起動完了タイミングになる）。
そして、制御装置Ｃは、図４に例示する現時点から予測起動完了タイミングまでの間を評価値計算期間とする。

〔通常運転時評価値〕
制御装置Ｃは、通常運転時評価値を計算するとき、通常運転モードを実行しながら発電ユニット１０の燃料電池部１２を連系運転している間（現時点から予測満蓄発生タイミングである午前３時までの間）は、発電ユニット１０を最適な出力で運転すると仮定して、発電ユニット１０を運転するために要する消費一次エネルギー量やエネルギーコストや環境負荷量などを導出できる。また、制御装置Ｃは、電力が不足するならば電力系統１から調達し、熱が不足するならば熱源機４０を運転して調達すると仮定して、電力系統１から電力を購入する場合の消費一次エネルギー量やエネルギーコストや環境負荷量などと、熱源機４０を運転する場合の消費一次エネルギー量やエネルギーコストや環境負荷量などを導出できる。このとき、制御装置Ｃは、発電ユニット１０の出力電力のうちの余剰電力は余剰電力消費用ヒーター２２で消費して貯湯タンク２１に熱として蓄えると仮定する。加えて、制御装置Ｃは、予測満蓄発生タイミングである午前３時から予測起動完了タイミングまでの間は、予測電力負荷を賄うための電力を電力系統１から調達し、予測熱負荷を賄うための熱を貯湯タンク２１から供給し、熱が不足するならば熱源機４０を運転して調達すると仮定して、電力系統１から電力を購入する場合の消費一次エネルギー量やエネルギーコストや環境負荷量などと、熱源機４０を運転する場合の消費一次エネルギー量やエネルギーコストや環境負荷量などを導出できる。更に、発電ユニット１０の燃料電池部１２の停止工程及び起動工程に要する電力量及びガス量についての消費一次エネルギー量やエネルギーコストや環境負荷量などを導出できる。尚、発電ユニット１０の発電効率や、排熱回収ユニット２０の排熱回収効率などを考慮してもよい。
以上の結果、制御装置Ｃは、現時点から予測起動完了タイミングまでの間の通常運転時評価値を導出できる。このように、通常運転時評価値には、発電ユニット１０の燃料電池部１２の停止工程及び起動工程を行うため、及び、燃料電池部１２を停止中の電力及び熱を調達するために、余分な消費一次エネルギー量などが生じることになる。

〔余剰電力策源地評価値〕
制御装置Ｃは、余剰電力削減時評価値を計算するとき、現時点から上記予測起動完了タイミングまでの間、発電ユニット１０を最適な出力で運転すると仮定し、及び、発電ユニット１０の出力電力のうちの余剰電力の少なくとも一部を発電ユニット１０及び排熱回収ユニット２０を構成する複数の付属機器１４，２３のうちの所定の付属機器の消費電力を上昇させて消費させると仮定して、発電ユニット１０を運転するために要する消費一次エネルギー量やエネルギーコストや環境負荷量などを導出できる。また、制御装置Ｃは、電力が不足するならば電力系統１から調達し、熱が不足するならば熱源機４０を運転して調達すると仮定して、電力系統１から電力を購入する場合の消費一次エネルギー量やエネルギーコストや環境負荷量などと、熱源機４０を運転する場合の消費一次エネルギー量やエネルギーコストや環境負荷量などを導出できる。尚、発電ユニット１０の発電効率や、排熱回収ユニットの排熱回収効率などを考慮してもよい。
以上の結果、制御装置Ｃは、現時点から予測起動完了タイミングまでの間の余剰電力削減時評価値を導出できる。このように、余剰電力削減時評価値には、発電ユニット１０の出力電力のうちの余剰電力の少なくとも一部を付属機器で消費して、電気エネルギーを廃棄することになる。

次に、工程＃１２において制御装置Ｃは、余剰電力削減時評価値は通常運転時評価値よりも良いか否か（又は同じであるか否か）を判定する。そして、制御装置Ｃは、余剰電力削減時評価値が通常運転時評価値よりも良い（又は同じである）とき、工程＃１３に移行して余剰電力削減運転モードを実行しながら発電ユニット１０の運転を行い、及び、余剰電力削減時評価値が通常運転時評価値よりも悪いとき、工程＃１４に移行して通常運転モードを実行しながら発電ユニット１０の運転を行う。

工程＃１３において制御装置Ｃは、余剰電力削減運転モードを実行しながら発電ユニット１０の運転を行う。具体的には、制御装置Ｃは、発電ユニット１０が有する複数の付属機器１４，２３のうち、少なくとも一つの付属機器の出力を上昇させる出力上昇運転を行わせることで余剰電力削減運転モードを実行する。つまり、余剰電力削減運転モードは、付属機器の動力の上昇により余剰電力を減少させる運転モードである。

例えば、発電ユニット１０は、ブロアＢ１，Ｂ２，Ｂ３及びポンプＰ２，Ｐ３，Ｐ４及び加熱用ヒーター１９及び凍結予防用ヒーター２９などを付属機器１４として備えている。また、排熱回収ユニット２０は、熱源機４０の送風ファンなどを付属機器２３として備えている。制御装置Ｃは、それら複数の付属機器１４，２３の現在の動作状態を検出しており、その動作状態から現在出力を認識できる。また、記憶装置１８には、複数の付属機器１４，２３の上限出力についての情報を記憶が記憶されている。この上限出力は、付属機器の出力を上昇させても発電ユニット１０及び排熱回収ユニット２０を適正に運転できる程度に設定されている。そして、制御装置Ｃは、発電ユニット１０の出力電力のうちの余剰電力、並びに、複数の付属機器１４，２３のうち、付属機器の現在出力及び上限出力を考慮して、出力上昇運転を行わせる少なくとも一つの付属機器を決定する。

つまり、制御装置Ｃは、付属機器１４，２３に出力上昇運転を行わせるとき、各付属機器の現在出力及び上限出力を考慮して、出力の上昇余力（即ち、上限出力から現在出力を減算した値）を認識できる。その結果、制御装置Ｃは、出力上昇運転を行わせる各付属機器の上昇余力の合計が上記余剰電力に近づくように、出力上昇運転を行わせる一台又は複数台の付属機器と各上昇出力とを決定し、決定した付属機器の出力上昇運転を行う。尚、制御装置Ｃは、時間経過に伴って余剰電力が変化したとき、その変化後の余剰電力に見合った出力上昇運転をその都度行わせればよい。また、制御装置Ｃは、現在動作中の付属機器の出力を上昇させる出力上昇運転を行ってもよいし、現在停止中の付属機器の出力を上昇させる出力上昇運転を行ってもよい。

工程＃１４において制御装置Ｃは、通常運転モードを実行しながら発電ユニット１０の運転を行う。通常運転モードは、発電ユニット１０の電力系統１への連系運転時に、当該電力系統１への逆潮流が発生しないように、発電ユニット１０の出力電力のうちの余剰電力を余剰電力消費用ヒーター２２で消費させる運転モードである。

このように、制御装置Ｃは、通常運転時評価値と余剰電力削減時評価値とを対比する評価値対比処理の結果に基づいて、通常運転モードと余剰電力削減運転モードとを切り替える。

＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態では、本発明の熱電併給システムの構成について具体例を挙げて説明したが、その構成は適宜変更可能である。
また、上記実施形態では、熱電併給部が燃料電池部１２である例を説明したが、熱電併給部がエンジンとそのエンジンによって駆動される発電機とを備えて構成され、その発電機から出力される発電電力とエンジンから排出される熱とが利用されるタイプの装置など、他の装置を用いて構成されてもよい。

他にも、出力上昇運転を行わせる付属機器として、上述した以外の機器を用いてもよい。

＜２＞
上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用でき、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変できる。

本発明は、蓄熱装置の満蓄状態が予測されるとき、熱電併給装置を運転継続するか或いは運転停止するかを適切に判定できる熱電併給システムに利用できる。

１ ：電力系統
１０ ：発電ユニット（熱電併給装置）
１４ ：付属機器
１８ ：記憶装置
２０ ：排熱回収ユニット（排熱回収装置）
２１ ：貯湯タンク（蓄熱装置）
２２ ：余剰電力消費用ヒーター（電気ヒーター装置）
２３ ：付属機器
Ｃ ：制御装置

Claims (3)

1. 熱と電気とを併せて発生させる熱電併給装置と、排熱回収装置と、制御装置とを備え、
   前記排熱回収装置は、前記熱電併給装置の出力電力を消費可能な電気ヒーター装置と、前記熱電併給装置で発生された熱及び前記電気ヒーター装置で発生した熱を蓄えることができる蓄熱装置とを有し、前記熱電併給装置で発生された熱及び前記蓄熱装置に蓄熱されている熱を熱負荷装置に供給可能であり、
   前記制御装置は、前記熱電併給装置の電力系統への連系運転時に当該電力系統への逆潮流が発生しないように、前記熱電併給装置の出力電力のうちの余剰電力を前記電気ヒーター装置で消費させる通常運転モードを実行でき、及び、前記熱電併給装置を運転しているときに前記蓄熱装置での蓄熱量が所定の上限値に達すると、前記熱電併給装置の運転を停止させる熱電併給システムであって、
   前記制御装置は、
   前記熱電併給装置の前記連系運転時に前記電力系統への逆潮流が発生しないように、前記熱電併給装置の出力電力のうちの余剰電力の少なくとも一部を前記電気ヒーターとは別の機器で消費させることで、前記電気ヒーター装置で消費させる電力を減少させる余剰電力削減運転モードを実行でき、
   前記通常運転モードを実行しながら前記熱電併給装置の前記連系運転を行うことで将来の所定期間内に前記蓄熱装置の蓄熱量が上限値に達すると予測されるとき、
   現時点から、前記通常運転モードを実行しながら前記熱電併給装置の前記連系運転を行い、前記蓄熱装置での蓄熱量が前記上限値に達することで前記熱電併給装置の運転を停止させた後、前記蓄熱装置での蓄熱量が前記上限値を下回るのに伴って前記熱電併給装置の再起動を完了する予測起動完了タイミングまでの間での、予測電力負荷及び予測熱負荷を賄うのに要する消費一次エネルギー量又はエネルギーコスト又は環境負荷量或いはそれらのうちの２つ以上の組合せを通常運転時評価値として計算し、
   現時点から前記予測起動完了タイミングまでの間で、前記余剰電力削減運転モードを実行しながら前記熱電併給装置の前記連系運転を行うことで前記蓄熱装置の蓄熱量が前記上限値に達することを回避して前記熱電併給装置を停止させない状態で、予測電力負荷及び予測熱負荷を賄うのに要する消費一次エネルギー量又はエネルギーコスト又は環境負荷量或いはそれらのうちの２つ以上の組合せを余剰電力削減時評価値として計算して、
   前記余剰電力削減時評価値が前記通常運転時評価値よりも良いとき、前記余剰電力削減運転モードを実行しながら前記熱電併給装置の運転を行い、及び、前記余剰電力削減時評価値が前記通常運転時評価値よりも悪いとき、前記通常運転モードを実行しながら前記熱電併給装置の運転を行う熱電併給システム。
2. 前記制御装置は、前記熱電併給装置及び前記排熱回収装置を構成する複数の付属機器のうち、少なくとも一つの前記付属機器の出力を上昇させる出力上昇運転を行わせることで前記余剰電力削減運転モードを実行する請求項１に記載の熱電併給システム。
3. 前記複数の付属機器の上限出力についての情報を記憶する記憶装置を備え、
   前記制御装置は、前記熱電併給装置の出力電力のうちの余剰電力、並びに、前記複数の付属機器のうち、前記付属機器の現在出力及び前記上限出力を考慮して、前記出力上昇運転を行わせる少なくとも一つの前記付属機器を決定する請求項２に記載の熱電併給システム。

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