JPH11351056A

JPH11351056A - 小型エネルギープラント装置

Info

Publication number: JPH11351056A
Application number: JP17664498A
Authority: JP
Inventors: Shinya Obara; 伸哉小原
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-06-08
Filing date: 1998-06-08
Publication date: 1999-12-21

Abstract

(57)【要約】【課題】小型コージェネレーションシステムにおい
て，熱や電気の利用方法に変更があった場合にシステム
を容易に変更することができ，かつ，排気ガスがクリー
ンなシステムを得る。【解決手段】流路切替え装置１５を配管網に取り付
け，内燃機関１の冷却水と排気ガス，及び発電機２の排
熱を別個に，または段階的に，または集合させて蓄熱タ
ンク１２，２２，３２に回収する。電熱ヒータ９２を排
熱回収系統に取り付け，熱が不足するときに発電機２の
余剰電力で賄う。電気分解槽９４を取り付け，得られた
水素と酸素を内燃機関１に供給する。センサ信号の入力
と制御プログラムを有する制御装置４１を取り付け，低
コストな運転方法を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般家庭、集合住
宅、小規模事務所、集落、若しくは電力や熱の供給が困
難な僻地、非常用施設に設置することで、電力と熱の供
給を行う小型コージェネレーションシステム及びその運
転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】コージェネレーションシステムは電力供
給と、その排熱を利用した熱の供給を行うことが出来る
ために総合熱効率は７５％に及ぶことから、地域冷暖房
や大中規模の建築物に活用されている。ところで、従
来、コージェネレーションシステムの高い熱効率を維持
した運転は、電力の利用と熱の利用が両方共に適度に必
要であることから、その適用場所が制限されている（例
えば、空気調和・衛生工学会論文集５９号、１９９５
年、１２９〜１４０頁）。また、一般家庭、小規模事務
所、若しくは電力や熱の供給が困難な僻地、非常用施設
に設置される電力装置として、例えば、自家用発電機が
知られている。このうち発電装置としては、灯油や軽油
で動作するディーゼルエンジンを利用したもの、ガソリ
ンで動作するガソリンエンジンを利用したもの、太陽光
発電装置、または風力発電装置が使われている。また、
大型発電機としては、前記の他にガスタービンが使われ
ている。小規模施設の熱源としては、従来、ボイラやガ
ス給湯機、またはソーラーシステムが使われており、大
規模な施設では前記の他に内燃機関や燃料電池を用いる
場合がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】図１０は、内燃機関の
排熱を熱交換して熱を利用者に供給し、内燃機関によっ
て発電機を駆動させた電力を利用者に供給することを特
徴とする現在実用されているコージェネレーションシス
テムである。内燃機関１の排熱は循環ポンプ１７で回収
された後に、熱交換器６０を介してポンプ６１で輸送さ
れる低温温水と熱交換し、給湯、暖房用温水が供給され
る構造として構成されている。

【０００４】一度コージェネレーションシステムを設置
してしまうと、熱や電力の利用する用途に変更があった
場合、システムを自由に変更することが容易ではないと
いう問題点があり、ディーゼル機関を用いると窒素酸化
物が排出されるという課題があった。

【０００５】そこで、本発明は上記のような問題点に鑑
み、その問題点を解決すべく創案されたものであって、
熱や電力の利用に変更があった場合、容易に、若しくは
自動的に対応することができ、排気ガス中の窒素酸化物
の濃度が低減されるようなコージェネレーションシステ
ム及びその運転方法を提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の問題点を解決する
ために、本発明は、内燃機関１とこれによって駆動する
発電機２、蓄熱材１２、２２、３２を設けた蓄熱タンク
１１、２１、３１、排気ガスからの熱回収を行う熱交換
器２３、前記内燃機関１に燃料を与える燃料供給装置
８、流路切り替え装置１５、９９、ラジエータ１３、３
３、排気浄化装置７、循環ポンプ１７、２７、３７、供
給ポンプ１６、２６、３６、電力供給部、電気分解槽９
４、電熱ヒータ９２、補助ボイラ７０、制御装置４１を
備えた電力と熱の供給を行う小型エネルギープラント装
置を用いて、内燃機関と発電機の排熱を流路切り替え装
置によって各々３系統、ないし一部を集合した２系統、
ないし全てを集合した１系統を蓄熱材が設けてある蓄熱
タンクに回収すると共に、発電機の余剰電力を利用する
電熱ヒータや補助ボイラを設けて熱の供給不足に対応す
ることを特徴とする小型エネルギープラント装置とする
ものである。

【０００７】排熱を回収する蓄熱タンク１１、２１、３
１を備え、流路切り替え装置９９を備え、内燃機関１と
発電機２の排熱回収を、各々３系統、ないし一部を集合
した２系統、ないし全てを集合した１系統で行い、発電
機２の余剰電力を利用する電熱ヒータ９２、或いは補助
ボイラ７０を備え、電力や熱の利用状態、並びに外気温
度を制御装置４１に入力することによって前記内燃機関
１の始動、停止、燃料の送液量制御、並びに循環ポンプ
１７、２７、３７の始動、停止、送液量の制御、並びに
供給ポンプ１６、２６、３６の始動、停止、送液量の制
御を行い、発電機の余剰電力を利用して水の電気分解を
行わせる電気分解槽９４を設けて、発生する水素と酸素
を内燃機関の燃料系統と吸気系統に導入することで排気
ガスの窒素酸化物を低減する効果がある。

【０００８】また本発明は、利用者の電力需要、並びに
熱需要、並びに外気温度をセンサ信号によって監視し
て、内燃機関の始動、停止、及び燃料の送液量をインフ
ラストラクチャによる電力、ガス、その他のエネルギー
供給と比較して最も低価格で運転できるようにコントロ
ールすることを特徴とする小型エネルギープラント装置
の運転方法とするものである。

【０００９】そして、内燃機関の冷却水、内燃機関の排
気ガス、発電機の冷却水から得られる３系統の排熱は、
流路の切り替えによって容易に３系統、一部を集約させ
た２系統、若しくは全てを１つに集約させることがで
き、さらに電熱ヒータや補助ボイラを動作させることに
よって熱の利用条件に対して柔軟に対応することができ
る上、余剰電力を利用して内燃機関に水素と酸素を添加
させることから、クリーンな排気で運転するように働
く。

【００１０】

【発明の実施の形態】

【実施例１】図１は本発明の小型エネルギープラント装
置の基本概念図であり、内燃機関１の動力によって駆動
する発電機２から電力を供給し、内燃機関１の冷却水と
排気ガス並びに発電機２の冷却水から得られる排熱を循
環ポンプ１７、２７、３７によって蓄熱材１２、２２、
３２を設けた蓄熱タンク１１、２１、３１に回収し、こ
の熱を利用者に供給ポンプ１６、２６、３６によって与
える小型エネルギープラント装置を示す。循環ポンプ１
７、２７、３７によって内燃機関１と発電機２の排熱を
回収する熱媒体は水が一般的であるが、例えばエチレン
グリコール等のアルコール水溶液、例えばシリコーンオ
イル等のオイル類を用いることができる。内燃機関１と
発電機２の排熱は温度やその熱量が異なることから、蓄
熱材１２、２２、３２を設けた蓄熱タンク１１、２１、
３１に蓄熱される熱も異なる。通常、蓄熱タンク１１で
は８０℃〜９０℃、蓄熱タンク２１では８０℃〜２００
℃、蓄熱タンク３１では３０〜５０℃の熱を貯蔵するこ
とができる。それ故、暖房用、給湯用、その他の熱源に
対して利用者の用途に最も近い熱を蓄熱タンク１１、２
１、３１の中から選択して、１つ或いは複数の熱を供給
ポンプ１６、２６、３６によって利用側へ供給すること
ができる。この時の熱媒体は、例えば水道水、例えばエ
チレングリコール等のアルコール水溶液、例えばシリコ
ーンオイル等のオイル類を用いることができる。蓄熱材
１２、２２、３２は、熱媒体と反応しないような、例え
ば無機質の顕熱蓄熱材、カプセルに封入した潜熱蓄熱材
などを用いることで、蓄熱タンク１１、２１、３１の容
積を小さくできると共に熱の需要に対して安定した温水
の供給を行うものである。内燃機関１が高効率に、或い
は安全に運転されるためには、蓄熱タンク１１に蓄熱さ
れる熱媒体の温度が適正であることを必要とする。内燃
機関１は、例えば、軽油、灯油、ガソリン、重油、天然
ガス、ＬＰガスなどの化石燃料を用いる内燃機関で、２
サイクルエンジン、４サイクルエンジン、ディーゼルエ
ンジン、ガスタービン、蒸気タービン、またはガスエン
ジンを用いることができる。ラジエータ１３は内燃機関
１の温度調整を行うもので、蓄熱タンク１１に熱が十分
貯蔵された場合に制御装置４１の指令によって流路制御
装置１５の流路方向が決定されてオーバーヒートを防ぐ
ように働く。発電機２についても同様な理由から、制御
装置４１の指令によって流路制御装置３５の流路方向が
決定されてラジエータ３３が働く。リザーバタンク１
４、３４は、各々の系統において高圧となった場合に圧
力を逃がす安全弁の役割と、熱媒体に気泡が混入した場
合に液を補充する役割を担う。電気分解槽９４は発電機
２によって発電された電力に対してその利用分を差し引
いた余剰分から水の電気分解を行い、発生した水素は水
素系統９７を通り燃料供給装置９に送られ、同じく発生
した酸素が酸素系統９８を通って内燃機関１の吸い込み
空気に混合させることから、内燃機関１の排気ガス中の
ＮＯx 量が１０％以上低減されると同時に、熱効率も３
％以上向上させることができる。図８に示される電源系
の例では、発電機２で発電された電力を利用者に供給す
る際に発電機２によって与えられる交流電力がコンデン
サに蓄電することができ、これをインバータまたは潮流
装置５６を介して利用者に供給されるタイプと、発電機
２によって与えられる交流電力をAC-DC コンバータ５４
によって整流され、この直流電力をバッテリに蓄電する
ことができ、DC-AC コンバータ５５によって再び交流電
力に変換されて、これをインバータまたは潮流装置５６
を介して利用者に供給することができるタイプである。

【００１１】図９に示すフロー図は、制御装置４１によ
って処理される制御の流れである。システムの運転は、
事前に設定された個別の運転パターンデータに則して行
われるものの、常時、利用者の電力需要と熱需要の量を
センサによって入力され、コージェネレーションの運転
を行う場合とインフラストラクチャによる電力供給を利
用する場合についてコスト演算を行い、比較される。こ
の際コージェネレーションの運転が妥当であるとの演算
結果が得られると、システムの運転パラメータを計算し
た後に本システムの運転が開始される。この際、内燃機
関の燃料供給、蓄熱した熱を利用者に与える供給ポン
プ、前記内燃機関と発電機の排熱回収を行う循環ポン
プ、前記内燃機関と発電機の過熱を防止するラジエー
タ、流路切り替え装置をコントロールして排熱回収を、
各々３系統、ないし一部を集合した２系統、ないし全て
を集合した１系統で行い、電力供給と温水の供給が、イ
ンフラストラクチャによる供給の料金と比べて安価とな
るように間欠運転制御、または部分負荷運転制御、また
はその両方を組み合わせた運転制御を行わせることがで
きる。図１に示す蓄熱タンク１１、２１、３１に蓄熱さ
れる熱貯蔵量と電源系のバッテリ（図８）に蓄電される
電力貯蔵量はセンサを通じて常に制御装置４１でモニタ
されて、熱貯蔵量と電力貯蔵量が一定値よりも低下する
と電熱ヒータ９２、或いは補助ボイラ７０やインフラス
トラクチャによる電力の補給を行って、利用側に供給す
ることができる。

【００１２】

【実施例２】本実施例２の小型エネルギープラント装置
を図面に基づいて説明する。図２に示される実施例２の
小型エネルギープラント装置の概念図では、実施例１に
おける小型エネルギープラント装置において、内燃機関
１の冷却水の出口と排気ガス用の熱交換器２３とを結合
されるように流路制御装置６０を付加したものである。
更に、発電機２の冷却水の出口と排気ガス用の熱交換器
２４とを結合されるように流路制御装置５７を付加した
ものである。実施例１の図１に対して、蓄熱タンク２１
を除いた構成となっている。循環ポンプ１７によって熱
媒体が内燃機関１に供給されて８０〜９０℃の熱を回収
して、内燃機関１の排気マフラに設けた熱交換器２３に
供給されて４５０〜６００℃の排気ガスと熱交換を行わ
せた後に蓄熱タンク１１に蓄熱することが出来る。ま
た、流路制御装置５５によって排気マフラに設けた熱交
換器２３を介さずに蓄熱タンク１１に蓄熱することもで
きる。また、循環ポンプ３７によって熱媒体が発電機２
に供給されて３０〜５０℃の熱を回収して、内燃機関１
の排気マフラに設けた熱交換器２４に供給された後に排
気ガスとの熱交換を行わせて蓄熱タンク３１に蓄熱する
ことが出来る。この場合、流路制御装置３５によって排
気マフラに設けた熱交換器２４を介さずに蓄熱タンク３
１に蓄熱することもできる。従って、蓄熱タンク１１で
は１５０〜３００℃、蓄熱タンク３１では８０〜９０℃
の熱の貯蔵ができる。

【００１３】

【実施例３】本実施例３の小型エネルギープラント装置
を図面に基づいて説明する。図３は本実施例３の小型エ
ネルギープラント装置の概念図であり、実施例１におけ
る小型エネルギープラント装置において、発電機２の排
熱回収系統にブロワ１０を付加し、内燃機関１の循環ポ
ンプ１７によって循環する熱媒体を内燃機関１の冷却水
出口と排気ガス用の熱交換器２３とを結合されるように
流路制御装置６０を付加したものである。更に、内燃機
関１の排熱を集約させるように集約型蓄熱タンク８５を
付加したものである。実施例１の図１に対して、蓄熱タ
ンク１１、２１、３１を除いた構成となっている。ブロ
ワ１０によって外気を発電機２に送り、排熱が回収され
た後に３０〜５０℃の温風として室内に供給することが
できる。それ以外は実施例２と同様である。

【００１４】

【実施例４】本実施例４の小型エネルギープラント装置
を図面に基づいて説明する。図４は本実施例４の小型エ
ネルギープラント装置の概念図であり、実施例１におけ
る小型エネルギープラント装置において、循環ポンプ３
７によって循環する熱媒体を先ず発電機２に送り、次に
内燃機関１の冷却水系統を通った後、内燃機関１の排気
ガス用の熱交換器２３に結合させて、これらの排熱を貯
蔵する集約型蓄熱タンク８５を付加したものである。実
施例１の図１に対して、蓄熱タンク１１、２１、３１を
除いた構成となっている。循環ポンプ３７によって熱媒
体を発電機２に送り、この排熱を回収させることで３０
〜４０℃とする。次に内燃機関１の冷却水系統を通過さ
せて、およそ１００℃として、さらに排気ガス系統の熱
交換器２３から排熱を回収することで２００〜４００℃
の熱を集約型蓄熱タンク８５に貯蔵することができる。

【００１５】

【実施例５】本実施例５の小型エネルギープラント装置
を図面に基づいて説明する。図５は本実施例５の小型エ
ネルギープラント装置の概念図であり、実施例１におけ
る小型エネルギープラント装置において、ヒートポンプ
を構成するようにクラッチ付きの圧縮機３、凝縮器４、
膨張弁９、蒸発器５を付加したものである。内燃機関１
の軸動力によって発電機２と、同じ軸線上或いは例えば
フレキシブル継ぎ手によって接続された圧縮機３に動力
を伝達する。ヒートポンプを暖房に用いる場合に蒸発器
５の熱源として、例えば発電機２の排熱を回収した蓄熱
タンク３１の熱を利用することでヒートポンプの成績係
数を３０％以上向上させることがができる。圧縮機３は
クラッチを有していることから、制御装置４１の指令に
よって作動と停止を行わせることができる。

【００１６】

【実施例６】本実施例６の小型エネルギープラント装置
を図面に基づいて説明する。図６は本実施例６の小型エ
ネルギープラント装置の概念図であり、実施例１におけ
る小型エネルギープラント装置において、補助ボイラ７
０、内燃機関１の排熱と発電機２の排熱を集約するよう
に蓄熱タンク８０を付加したものである。また、実施例
１の図１に対して、蓄熱タンク１１、２１、３１を除い
た構成となっている。蓄熱タンク８０は、セパレータ８
３によって２槽に別れている。循環ポンプ３７で輸送さ
れる熱媒体は内燃機関１と発電機２の排熱を蓄熱タンク
８０のＡ槽８１に蓄熱できる。補助ボイラ７０は利用側
の熱量が内燃機関１と発電機２の排熱を上回るようなと
きに循環ポンプ７１で輸送される熱媒体を加熱でき、蓄
熱タンク５１のＢ槽８２に蓄熱される。給湯・暖房用の
温水は、供給ポンプ５８によって先ず蓄熱タンク８０の
Ａ槽８１で熱交換されて、次にＢ槽８２で熱交換されて
与えることができる。

【００１７】

【実施例７】本実施例７の小型エネルギープラント装置
を図面に基づいて説明する。図７は本実施例７の小型エ
ネルギープラント装置の概念図であり、実施例１におけ
る小型エネルギープラント装置において、電力切り替え
盤９０、ヘッダ９１、電熱ヒータ９２、絞り弁９３を付
加したものである。水道の水圧を利用して水道水を発電
機２、内燃機関１と熱交換させて、電気ヒータ９２、補
助ボイラ７０を通って蓄熱タンク１１に供給されること
から、循環ポンプ１７の動力が低減され、或いは循環ポ
ンプ１７を必要としない。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係わる
小型エネルギープラント装置によれば、次のような効果
を得ることができる。

【００１９】内燃機関と発電機の排熱を流路切り替え装
置によって各々３系統、ないし一部を集合した２系統、
ないし全てを集合した１系統を蓄熱材が設けてある蓄熱
タンクに回収すると共に、発電機の余剰電力を利用する
電熱ヒータや補助ボイラを設けて熱の供給不足に対応す
ることで、熱や電力の需要に変更が生じた場合でも容易
にシステムの変更を行うことができる。

【００２０】システムの運転を事前に設定された個別の
運転パターンデータと利用者の電力需要と熱需要の量を
センサによって入力することで、コージェネレーション
の運転を行う場合とインフラストラクチャによる電力供
給を利用する場合についてコスト演算を行い、これを比
較する制御装置を設けることで一般家庭、集合住宅、小
規模事務所、集落、若しくは電力や熱の供給が困難な僻
地、非常用施設に設置することで電力の供給と同時に、
または時間を経て１つまたは複数の蓄熱タンクに貯めた
温水によって、給湯、暖房、ロードヒーティング、融雪
口、屋根の融雪用の熱源を安価に供給することができ
る。

【００２０】発電機の余剰電力を利用する電気分解槽を
設けて、発生する水素と酸素を内燃機関に供給すること
で、内燃機関の排気ガスをクリーンにすることができ、
利用単価の高い電気やガスを安価な灯油や軽油に代替さ
せることができることから、従来のように複数のエネル
ギーを利用することによって生じる設備や装置のコスト
を低減でき、さらに維持、管理などの保守を容易にする
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１による小型エネルギープラン
ト装置の基本となる概念図である。

【図２】本発明の実施例２による小型エネルギープラン
ト装置の基本となる概念図である。

【図３】本発明の実施例３による小型エネルギープラン
ト装置の基本となる概念図である。

【図４】本発明の実施例４による小型エネルギープラン
ト装置の基本となる概念図である。

【図５】本発明の実施例５による小型エネルギープラン
ト装置の基本となる概念図である。

【図６】本発明の実施例６による小型エネルギープラン
ト装置の基本となる概念図である。

【図７】本発明の実施例７による小型エネルギープラン
ト装置の基本となる概念図である。

【図８】電源系の例について概念図である。

【図９】本発明の小型エネルギープラント装置の基本と
なる制御フロー図である。

【図１０】従来のコージェネレーションシステムの概念
図である。

【符号の説明】

１内燃機関２発電機３圧縮機４凝縮器５蒸発器６燃料供給系配管７排気マフラー８燃料供給装置９燃料供給系配管 10 ブロワ 11、21、31 蓄熱タンク 12、22、32 蓄熱材 13、33、60 ラジエータ 14、34 リザーバタンク、及び圧力逃がし弁 15、35 流路切り替え装置 16、26、36、61、58 供給ポンプ 17、27、37 循環ポンプ 23 熱交換器 41 制御装置 50、59 逆止弁 51 線路切り替え接点 52 コンデンサ 53 バッテリ 54 AC−DCコンバータ 55 DC―ACコンバータ 56 インバータ、又は潮流装置 57、60、99 流路切り替え装置 70 補助ボイラ 71 補助ボイラ用ポンプ 72 流量制御バルブ 80 ２室型蓄熱タンク 81 A槽 82 B槽 83 セパレータ 85 集約型蓄熱タンク 86 集約型蓄熱用蓄熱材 90 電力切り替え装置 91 ヘッダ 92 電熱ヒータ 93 絞り弁 94 電気分解槽 95 屋内の温水蛇口 96 屋内暖房装置 97 水素系統 98 酸素系統

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関（１）とこれによって駆動する
発電機（２）の排熱を回収して蓄熱する蓄熱材(11 、2
2、32) を設けた蓄熱タンク(11 、21、31) を有し、前
記内燃機関（１）の排気ガスから熱交換器(23)を介して
熱回収を行わせ、前記発電機（２）の余剰電力を用いて
水の電気分解を行わせる電気分解槽(94)によって水素と
酸素を得て、前記内燃機関（１）の燃料供給装置（８）
と吸気系統に供給させることで排気ガスをクリーンとす
ることができる小型エネルギープラント装置。
【請求項２】排熱を回収する蓄熱タンク(11 、21、3
1) を備え、発電機（２）の余剰電力を利用する電熱ヒ
ータ(92)、或いは補助ボイラ(70)を備えることで、熱の
供給に不足が生じた場合に流路切り替え装置(99)によっ
て、内燃機関（１）と発電機（２）の排熱回収を、各々
３系統、ないし一部を集合した２系統、ないし全てを集
合した１系統で行い、また、外気温度を熱と電力の利用
状況を制御装置(41)に入力することによって前記内燃機
関（１）の始動、停止、燃料の送液量制御、並びに循環
ポンプ(17 、27、37) の始動、停止、送液量の制御、並
びに供給ポンプ(16 、26、36) の始動、停止、送液量の
制御を行うことを特徴とする小型エネルギープラント装
置。