JP2009222347A - コージェネレーションシステム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数種の運転形態のうちの一部が、時系列的に並ぶ運転周期のうちの1つを熱電併給装置1の運転を行う運転用の運転周期とし、それに続く複数の運転周期を熱電併給装置1の運転を停止する待機用の運転周期とし、且つ、運転用の運転周期において熱電併給装置1を運転する運転時間帯を、熱電併給装置1の時系列的な予測エネルギ消費量及び補助加熱手段28の時系列的な予測エネルギ消費量に関係する運転メリットが高くなる時間帯に定める複数周期対応型の断続運転形態であり、運転制御手段は、貯湯温度低下度合検知手段Dにて求められた貯湯温度低下度合が待機用運転周期減少条件を満足するときは、運転用の運転形態の選定対象とする複数周期対応型の断続運転形態における待機用の運転周期の数を減らすように構成されている。
【選択図】図1
Description
前記運転制御手段が、時系列的な予測負荷電力及び時系列的な予測負荷熱量を時系列に並ぶ運転周期毎に区分けして管理し、且つ、
周期的な運転形態選定タイミングにおいて、前記時系列的な予測負荷電力及び前記時系列的な予測負荷熱量に基づいて、前記熱電併給装置が消費すると予測される時系列的な予測エネルギ消費量及び前記補助加熱手段が消費すると予測される時系列的な予測エネルギ消費量に関係する運転メリットを、複数種の運転形態の夫々について求めて、前記複数種の運転形態のうちで運転メリットが高い運転形態を前記熱電併給装置の運転用の運転形態として選定するように構成され、
前記複数種の運転形態のうちの一部が、時系列的に並ぶ運転周期のうちの1つを前記熱電併給装置の運転を行う運転用の運転周期とし、それに続く運転周期を前記熱電併給装置の運転を停止する待機用の運転周期とし、且つ、前記運転用の運転周期において前記熱電併給装置を運転する運転時間帯を、前記熱電併給装置の時系列的な予測エネルギ消費量及び前記補助加熱手段の時系列的な予測エネルギ消費量に関係する運転メリットが高くなる時間帯に定める複数周期対応型の断続運転形態であるコージェネレーションシステムに関する。
ちなみに、補助加熱手段の予測エネルギ消費量としては、貯湯槽に貯湯される湯水の熱量が不足する場合にそれを補うときのエネルギ消費量が求められることになる。
尚、熱電併給装置は、燃料電池やエンジン駆動式の発電機等にて構成される。
そして、このような複数周期対応型の断続運転形態には、待機用の運転周期の数が1つのものや複数のものがある(例えば、特許文献1参照。)。
単周期対応型の断続運転形態は、複数周期対応型の断続運転形態が運転用として選定されるときよりも予測負荷熱量が大きい場合に、運転メリットが複数周期対応型の断続運転形態よりも高く求められるものであり、そして、連続運転形態は、単周期対応型の断続運転形態が運転用として選定されるときよりも、さらに予測負荷熱量が大きい場合に、運転メリットが単周期対応型の断続運転形態よりも高く求められるものである。
このため、気温が低いときに、待機用の運転周期の数が複数の複数周期対応型の断続運転形態にて熱電併給装置が運転されると、複数の待機用の運転周期における後側の待機用の運転周期での貯湯温度が貯湯初期の温度よりも大きく低下する場合があり、そのような場合には、貯湯槽から送出されて給湯路を通流する湯水を目標給湯温度に加熱するように補助加熱手段が加熱作動することになる。ちなみに、複数の待機用の運転周期における後側の待機用の運転周期とは、待機用の運転周期の数が2つの場合は、2つ目の待機用の運転周期であり、待機用の運転周期の数が3つ以上の場合は、2つ目又は3つ目等の複数目以降の待機用の運転周期である。
そして、複数周期対応型の断続運転形態についての運転メリットを適切に求めることができない結果、実際の運転メリットが低くなるにも拘わらず、複数周期対応型の断続運転形態が運転用として選定される虞があり、実際の運転メリットが高くなる運転形態を運転用として選定することができないという問題があった。
前記運転制御手段が、時系列的な予測負荷電力及び時系列的な予測負荷熱量を時系列に並ぶ運転周期毎に区分けして管理し、且つ、
周期的な運転形態選定タイミングにおいて、前記時系列的な予測負荷電力及び前記時系列的な予測負荷熱量に基づいて、前記熱電併給装置が消費すると予測される時系列的な予測エネルギ消費量及び前記補助加熱手段が消費すると予測される時系列的な予測エネルギ消費量に関係する運転メリットを、複数種の運転形態の夫々について求めて、前記複数種の運転形態のうちで運転メリットが高い運転形態を前記熱電併給装置の運転用の運転形態として選定するように構成され、
前記複数種の運転形態のうちの一部が、時系列的に並ぶ運転周期のうちの1つを前記熱電併給装置の運転を行う運転用の運転周期とし、それに続く運転周期を前記熱電併給装置の運転を停止する待機用の運転周期とし、且つ、前記運転用の運転周期において前記熱電併給装置を運転する運転時間帯を、前記熱電併給装置の時系列的な予測エネルギ消費量及び前記補助加熱手段の時系列的な予測エネルギ消費量に関係する運転メリットが高くなる時間帯に定める複数周期対応型の断続運転形態であるであるものにおいて、
前記貯湯槽に貯湯された湯水の貯湯温度が外部放熱により低下する貯湯温度低下度合を求める貯湯温度低下度合検知手段が設けられ、
前記運転制御手段は、前記貯湯温度低下度合検知手段にて求められた貯湯温度低下度合が前記複数周期対応型の断続運転形態における前記待機用の運転周期の数を減らす条件として定めた待機用運転周期減少条件を満足するときは、前記運転用の運転形態の選定対象とする前記複数周期対応型の断続運転形態における前記待機用の運転周期の数を減らすように構成されている点にある。
従って、気温が低いために複数の待機用の運転周期における後側の待機用の運転周期には貯湯温度が目標給湯温度よりも低くなるにも拘わらず複数周期対応型の断続運転形態が運転用の運転形態として選定されて、実際の運転メリットが低くなるという不都合を防止することができるようになった。
要するに、実際の運転メリットが高くなる運転形態を運転用として選定し得るコージェネレーションシステムを提供することができるようになった。
従って、貯湯温度低下度合に応じて、待機用の運転周期の数が多い複数周期対応型の断続運転形態が運転用として選定されないようにしたり、複数周期対応型の断続運転形態が運転用として選定されないようにすることができるので、貯湯温度低下度合に応じて、実際の運転メリットが高くなる運転形態を運転用として選定することができるようになった。
前記複数周期対応型の断続運転形態のうちの1つが、前記待機用の運転周期の数が1つの2周期対応型の断続運転形態であり、
前記運転制御手段は、前記貯湯温度低下度合検知手段にて求められた貯湯温度低下度合が前記待機用運転周期減少条件よりも貯湯温度低下度合が大きい条件に定めた2周期対応型除外条件を満足するときは、前記2周期対応型の断続運転形態を除外した状態で前記運転用の運転形態を選定するように構成されている点にある。
そして、運転用の運転周期での熱電併給装置の運転により貯湯槽に貯湯された湯水が運転用の運転周期に続く運転周期に持ち越されたときに、貯湯温度低下度合が待機用運転周期減少条件を満足する貯湯温度低下度合よりも大きいために、貯湯槽の湯水の貯湯温度が運転用の運転周期に続く1つ目の運転周期には目標給湯温度よりも低くなる虞があるような場合には、2周期対応型の断続運転形態も運転用の運転形態として選定されないようにすることが可能となる。
従って、複数周期対応型の断続運転形態に2周期対応型の断続運転形態を含む場合においても、実際の運転メリットが高くなる運転形態を運転用として選定することができるようになった。
前記貯湯温度低下度合検知手段が、前記貯湯温度低下度合に影響を与える情報として気温又は前記給水路を通して前記貯湯槽に供給される水の給水温度を検出して、その検出情報に基づいて前記貯湯温度低下度合を求めるように構成されている点にある。
つまり、気温が低いほど貯湯槽からの放熱量が多くなり、又、給水路を通して貯湯槽に供給される水の給水温度は気温の変化に応じて変化するものであるので、気温や給水温度は、貯湯温度低下度合を適切に反映するものである。
そこで、気温又は給水温度を検出して、その検出情報に基づいて貯湯温度低下度合を求めるようにすることにより、貯湯温度低下度合を適切に求めることができる。
そして、適切に求めた貯湯温度低下度合に基づいて、運転用の運転形態の選定対象とする複数周期対応型の断続運転形態における待機用の運転周期の数を減らすことや、複数周期対応型の断続運転形態を除外した状態で運転用の運転形態を選定することや、2周期対応型の断続運転形態を運転用の断続運転形態として選定する対象から除外することを適切に行わせることができる。
従って、実際の運転メリットが高くなる運転形態をより一層的確に運転用として選定することができるようになった。
前記貯湯温度低下度合検知手段が、前記貯湯温度低下度合として、前記貯湯槽に貯湯される湯水の予測貯湯温度を求めるように構成され、
前記待機用運転周期減少条件が、前記予測貯湯温度と前記目標給湯温度との関係が前記補助加熱手段を作動させる関係となる条件である点にある。
ちなみに、予測貯湯温度と目標給湯温度との関係が補助加熱手段を作動させる関係としては、予測貯湯温度が目標給湯温度よりも低くなる関係を代表的な例として挙げることができるが、その他の例としては、予測貯湯温度が目標給湯温度より数°C(例えば、1あるいは2°C)高い温度よりも低くなる関係を挙げることができる。つまり、予測貯湯温度が目標給湯温度より高くても、補助加熱手段を通過するときに低くなる虞があることに鑑みて、補助加熱手段を最小加熱量にて加熱する場合を挙げることができる。
そして、貯湯温度と目標給湯温度との関係が補助加熱手段を作動させる関係になると予測される待機用の運転周期が存在する複数周期対応型の断続運転形態を運転用の運転形態の選定対象から除外し、貯湯温度と目標給湯温度との関係が補助加熱手段を作動させる関係になると予測される待機用の運転周期が存在しない複数周期対応型の断続運転形態を運転用の運転形態の選定対象とすることにより、運転用の運転形態の選定対象とする複数周期対応型の断続運転形態における待機用の運転周期の数を減らことになる。
従って、上述のように、貯湯温度と目標給湯温度との関係が補助加熱手段を作動させる関係になると予測される待機用の運転周期が存在しない複数周期対応型の断続運転形態を運転用の運転形態の選定対象とするので、熱電併給装置の時系列的な予測エネルギ消費量及び補助加熱手段の時系列的な予測エネルギ消費量に関係する運転メリットが高くなる条件で選定する運転用の運転形態の選定をより一層適切に行うことができるものとなり、実際の運転メリットが高くなる運転形態をより一層的確に運転用として選定することができるようになった。
前記運転制御手段が、時系列的な予測負荷電力及び時系列的な予測負荷熱量を時系列に並ぶ運転周期毎に区分けして管理し、且つ、
周期的な運転形態選定タイミングにおいて、前記時系列的な予測負荷電力及び前記時系列的な予測負荷熱量に基づいて、前記熱電併給装置が消費すると予測される時系列的な予測エネルギ消費量及び前記補助加熱手段が消費すると予測される時系列的な予測エネルギ消費量に関係する運転メリットを、複数種の運転形態の夫々について求めて、前記複数種の運転形態のうちで運転メリットが高い運転形態を前記熱電併給装置の運転用の運転形態として選定するように構成され、
前記複数種の運転形態のうちの一部が、時系列的に並ぶ運転周期のうちの1つを前記熱電併給装置の運転を行う運転用の運転周期とし、それに続く運転周期を前記熱電併給装置の運転を停止する待機用の運転周期とし、且つ、前記運転用の運転周期において前記熱電併給装置を運転する運転時間帯を、前記熱電併給装置の時系列的な予測エネルギ消費量及び前記補助加熱手段の時系列的な予測エネルギ消費量に関係する運転メリットが高くなる時間帯に定める複数周期対応型の断続運転形態であるものにおいて、
前記運転制御手段が、前記補助加熱手段の予測エネルギ消費量として、前記貯湯槽に貯湯される湯水の熱量が不足する場合にそれを補うときのエネルギ消費量、及び、前記貯湯槽に貯湯される湯水の予測貯湯温度と前記目標給湯温度との関係が前記補助加熱手段を作動させる関係となる場合に、前記補助加熱手段を作動させるときのエネルギ消費量を加えたエネルギ消費量を求めるように構成されている点にある。
ちなみに、予測貯湯温度と目標給湯温度との関係が補助加熱手段を作動させる関係としては、予測貯湯温度が目標給湯温度よりも低くなる関係を代表的な例として挙げることができるが、その他の例としては、予測貯湯温度が目標給湯温度より数°C(例えば、1あるいは2°C)高い温度よりも低くなる関係を挙げることができる。つまり、予測貯湯温度が目標給湯温度より高くても、補助加熱手段を通過するときに低くなる虞があることに鑑みて、補助加熱手段を最小加熱量にて加熱する場合を挙げることができる。
そして、気温が低いために、複数の待機用の運転周期における後側の待機用の運転周期において、予測貯湯温度と目標給湯温度との関係が補助加熱手段を作動させる関係になる虞がある場合には、複数周期対応型の断続運転形態についての運転メリットが低く求められて、その複数周期対応型の断続運転形態が運転用の運転形態として選定されないようにすることが可能となる。
従って、気温が低いために複数の待機用の運転周期における後側の待機用の運転周期には貯湯温度と目標給湯温度との関係が補助加熱手段を作動させる関係になるにも拘わらず複数周期対応型の断続運転形態が運転用の運転形態として選定されて、実際の運転メリットが低くなるという不都合を防止することができるようになった。
要するに、実際の運転メリットが高くなる運転形態を運転用として選定し得るコージェネレーションシステムを提供することができるようになった。
前記複数周期対応型の断続運転形態のうちの1つが、前記待機用の運転周期の数が1つの2周期対応型の断続運転形態である点にある。
従って、複数周期対応型の断続運転形態に2周期対応型の断続運転形態を含む場合においても、実際の運転メリットが高くなる運転形態を運転用として選定することができるようになった。
前記複数種の運転形態のうちの1つが、運転周期の一部の時間帯で前記熱電併給装置を運転し且つその運転周期において前記熱電併給装置を運転する運転時間帯を、前記熱電併給装置の時系列的な予測エネルギ消費量及び前記補助加熱手段の時系列的な予測エネルギ消費量に関係する運転メリットが高くなる時間帯に定める単周期対応型の断続運転形態である点にある。
従って、運転周期の時系列的な予測負荷熱量を積算した運転周期の予測総負荷熱量が運転周期によって大きく変動しても、予測総負荷熱量に適応した運転形態にて熱電併給装置を運転することができるので、省エネルギ性を更に向上することができる。
前記複数種の運転形態の1つが、運転周期の全時間帯にわたって前記熱電併給装置を連続して運転する連続運転形態である点にある。
従って、運転周期の時系列的な予測負荷熱量を積算した運転周期の予測総負荷熱量が運転周期によって更に大きく変動しても、予測総負荷熱量に適応した運転形態にて熱電併給装置を運転することができるので、省エネルギ性を更に向上することができる。
〔第1実施形態〕
先ず、第1実施形態を説明する。
コージェネレーションシステムは、図1及び図2に示すように、電力と熱とを発生する熱電併給装置としての燃料電池1と、給水路29を通して給水され且つ給湯路27を通して湯水が送出される貯湯槽2と、前記燃料電池1が発生する熱にて貯湯槽2への貯湯を行う貯湯ユニット4と、前記給湯路27を通流する湯水を加熱する補助加熱手段としての補助加熱器28と、前記燃料電池1、前記貯湯ユニット4及び前記補助加熱器28等の運転を制御する運転制御手段としての運転制御部5などから構成されている。
前記燃料ガス生成部は、供給される都市ガス(例えば、天然ガスベースの都市ガス)等の炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理する脱硫器、その脱硫器から供給される脱硫原燃料ガスと別途供給される水蒸気とを改質反応させて水素を主成分とする改質ガスを生成する改質器、その改質器から供給される改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気にて二酸化炭素に変成処理する変成器、その変成器から供給される改質ガス中の一酸化炭素を別途供給される選択酸化用空気にて選択酸化する一酸化炭素除去器等から構成され、一酸化炭素を変成処理及び選択酸化処理により低減した改質ガスを前記燃料ガスとして前記セルスタックに供給するように構成されている。
そして、前記燃料ガス生成部への原燃料ガスの供給量を調節することにより、前記燃料電池1の発電出力を調節するように構成されている。
前記商用電源7は、例えば、単相3線式100/200Vであり、受電電力供給ライン8を介して、テレビ、冷蔵庫、洗濯機などの電力負荷9に電気的に接続されている。
また、インバータ6は、発電電力供給ライン10を介して受電電力供給ライン8に電気的に接続され、燃料電池1からの発電電力がインバータ6及び発電電力供給ライン10を介して電力負荷9に供給するように構成されている。
そして、逆潮流が生じないように、インバータ6により燃料電池1から受電電力供給ライン8に供給される電力が制御され、発電出力の余剰電力は、その余剰電力を熱に代えて回収する電気ヒータ12に供給されるように構成されている。
また、作動スイッチ14は、余剰電力の大きさが大きくなるほど、電気ヒータ12の消費電力が大きくなるように、余剰電力の大きさに応じて電気ヒータ12の消費電力を調整するように構成されている。
尚、電気ヒータ12の消費電力を調整する構成については、上記のように複数の電気ヒータ12のON/OFFを切り換える構成以外に、その電気ヒータ12の出力を例えば位相制御等により調整する構成を採用しても構わない。
前記燃料電池1が発生する熱を回収する冷却水を循環させる冷却水循環路13が、前記貯湯用熱交換器24を通して冷却水を循環させるように設けられ、その冷却水循環路13に冷却水循環ポンプ15が設けられている。
つまり、前記燃料電池1にて発生する熱にて貯湯槽2に貯留される湯水を加熱する貯湯手段Hが、前記冷却水循環路13、前記冷却水循環ポンプ15、前記貯湯用循環路16、前記湯水循環ポンプ17及び前記貯湯用熱交換器24等を備えて構成されている。
又、前記貯湯槽2には、その貯湯熱量の検出用として、貯湯槽2の上層部の上端位置の湯水の温度を検出する上端温度センサS1、貯湯槽2の上層部と中層部との境界位置の湯水の温度を検出する中間上位温度センサS2、貯湯槽2の中層部と下層部との境界位置の湯水の温度を検出する中間下位温度センサS3、及び、貯湯槽2の下層部の下端位置の湯水の温度を検出する下端温度センサS4が設けられ、更に、前記給水路29には、貯湯槽2に供給される水の給水温度を検出する給水温度センサSiが設けられている。
前記上端温度センサS1、中間上位温度センサS2、中間下位温度センサS3、下端温度センサS4夫々にて検出される貯湯槽2の湯水の温度を、夫々、T1、T2、T3、T4とし、前記給水温度センサSiにて検出される給水温度をTiとし、上層部、中層部、下層部夫々の容量をV(リットル)とする。
又、前記上層部における重み係数をA1とし、前記中層部における重み係数をA2とし、前記下層部における重み係数をA3とすると、貯湯熱量(kcal)は、下記の(式1)にて演算することができる。
+(A2×T2+(1−A2)×T3−Ti)×V
+(A3×T3+(1−A3)×T4−Ti)×V……………(式1)
但し、Taは、上端温度センサS1、中間上位温度センサS2、中間下位温度センサS3、下端温度センサS4夫々にて検出される貯湯槽2の湯水の温度T1、T2、T3、T4のうち、湯判別用設定温度(例えば40°C)以上であって貯湯用熱交換器24にて加熱された湯の温度であると見なされるものの平均温度である。
そして、前記運転制御部5は、その貯湯運転では、前記貯湯温度センサShの検出情報に基づいて、前記貯湯槽2に供給される湯水の温度が予め設定された目標加熱温度(例えば60°C)になるように湯水循環量を調節すべく、前記湯水循環ポンプ17の作動を制御するように構成されている。即ち、前記運転制御部5は、前記貯湯槽2に貯留される湯水を前記目標加熱温度に加熱するように前記貯湯ユニット4の加熱作動を制御するように構成されている。
運転制御部5は、前記補助加熱器28の流入温度センサにて検出される湯水の温度がこのコージェネレーションシステムのリモコン操作部(図示省略)の温度設定部(図示省略)にて設定される目標給湯温度よりも高いときは、前記給湯温度センサ35の検出温度が目標給湯温度になるように前記ミキシング弁34の作動を制御するように構成されている。
又、運転制御部5は、前記補助加熱器28の流入温度センサにて検出される湯水の温度が目標給湯温度よりも低いときは、補助加熱器28の流入温度センサにて検出される湯水の温度及び給湯流量センサ36にて検出される湯水の流量に基づいて、貯湯槽2から送出される湯水を目標給湯温度に加熱するために要する補助加熱器28の必要燃焼量を求めて、その求めた必要燃焼量が補助加熱器28の燃焼量調節範囲における最小燃焼量よりも大きいか否かを判別し、必要燃焼量が最小燃焼量よりも大きい場合は、補助加熱器28の流出温度センサの検出温度が目標給湯温度になるように補助加熱器28の燃焼量を調節し、且つ、混合用給水路33からの水の混合量を0にすべく混合用給水路33側を閉じるようにミキシング弁34の作動を制御し、必要燃焼量が最小燃焼量以下の場合は、補助加熱器28の燃焼量を最小燃焼量に調節し、且つ、給湯温度センサ35にて検出される湯水の温度が目標給湯温度になるようにミキシング弁34の作動を制御するように構成されている。
つまり、前記運転制御部5は、前記給湯路27を通流する湯水の温度が目標給湯温度よりも低いときにその給湯路27を通流する湯水を前記目標給湯温度に加熱するように前記補助加熱器28の加熱作動を制御するように構成されている。
この運転制御部5は、時系列的な予測負荷電力及び時系列的な予測負荷熱量を時系列に並ぶ運転周期毎に区分けして管理し、且つ、周期的な運転形態選定タイミングにおいて、前記時系列的な予測負荷電力及び前記時系列的な予測負荷熱量に基づいて、前記燃料電池1が消費すると予測される時系列的な予測エネルギ消費量及び前記補助加熱器28が消費すると予測される時系列的な予測エネルギ消費量に関係する運転メリットを、複数種の運転形態の夫々について求めて、前記複数種の運転形態のうちで運転メリットが高い運転形態を前記燃料電池1の運転用の運転形態として選定するように構成されている。ちなみに、この第1実施形態では、前記燃料電池1にて発生する熱の全量が前記貯湯槽2に貯湯するために用いられ、その貯湯槽2に貯湯される湯水が前記給湯先にて消費されるので、時系列的な予測負荷熱量は、時系列的な予測給湯負荷熱量に相当する。
尚、このように運転制御部5が燃料電池1の運転用の運転形態を選定する処理を運転形態選定処理と記載する。
そして、運転制御部5は、その運転形態選定処理にて選定した運転用の運転形態にて燃料電池1を運転するように構成されている。
又、前記複数種の運転形態の1つが、運転周期の全時間帯にわたって前記燃料電池1を連続して運転する連続運転形態である。
又、前記運転制御部5が、複数の単位時間からなる運転周期における時系列的な予測負荷電力及び時系列的な予測給湯負荷熱量を運転周期を構成する複数の単位時間毎に区分けして管理するように構成されている。
又、前記運転制御部5が、各運転周期の開始時点を前記運転形態選定タイミングとして、運転周期毎に前記運転形態選定処理を実行するように構成されている。
ちなみに、前記運転周期が1日に設定され、その運転周期を構成する単位時間が1時間に設定されている。
前記連続運転形態として、予測負荷電力に対する燃料電池1の電力の出力形態を異ならせた複数種の運転形態が含まれる。
そして、前記連続運転形態としての複数種の運転形態が、前記運転周期の全時間帯において燃料電池1の発電出力を予測負荷電力に追従させる負荷追従連続運転形態、前記運転周期の複数の単位時間のうちの一部の単位時間において前記燃料電池1の発電出力を前記予測負荷電力よりも小さな設定抑制出力とし且つ残りの単位時間において前記燃料電池1の発電出力を前記予測負荷電力に追従させる抑制連続運転形態、及び、前記運転周期の複数の単位時間のうちの一部の単位時間において前記燃料電池1の発電出力を前記予測負荷電力よりも大きな設定増大出力とし且つ残りの単位時間において前記燃料電池1の発電出力を前記予測負荷電力に追従させる強制連続運転形態である。
そして、単周期対応型、2周期対応型及び3周期対応型夫々の断続運転形態の複数種の運転形態が、燃料電池1の発電出力を前記予測負荷電力に追従させる単位時間を、前記運転時間帯として、前記運転周期の複数の単位時間のうちで燃料電池1の時系列的な予測エネルギ消費量及び補助加熱器28の時系列的な予測エネルギ消費量に関係する運転メリットが最も高くなる単位時間に定める負荷追従断続運転形態、燃料電池1の発電出力を前記予測負荷電力よりも小さな設定抑制出力に調節する単位時間を、前記運転時間帯として、前記運転周期の複数の単位時間のうちで燃料電池1の時系列的な予測エネルギ消費量及び補助加熱器28の時系列的な予測エネルギ消費量に関係する運転メリットが最も高くなる単位時間に定める抑制断続運転形態、及び、燃料電池1の発電出力を前記予測負荷電力よりも大きな設定増大出力に調節する単位時間を、前記運転時間帯として、前記運転周期の複数の単位時間のうちで燃料電池1の時系列的な予測エネルギ消費量及び補助加熱器28の時系列的な予測エネルギ消費量に関係する運転メリットが最も高くなる単位時間に定める強制断続運転形態である。
又、2周期対応型の断続運転形態は、1つの運転用の運転周期と1つの待機用の運転周期の2つの運転周期、即ち、2日間を計画運転の対象期間とするので、以下では、この2周期対応型の断続運転形態を2日対応型の断続運転形態と記載する場合がある。
又、単周期対応型の断続運転形態は、1つの運転周期、即ち、1日間を計画運転の対象期間とするので、以下では、この単周期対応型の断続運転形態を1日対応型の断続運転形態と記載する場合がある。
増大出力設定用又は抑制出力設定用の仮設定出力を前記燃料電池1の発電出力調節範囲(例えば、0.25〜0.75kW)内で段階的(例えば、0.05kW間隔)に設定し、各仮設定出力について、前記燃料電池1の発電出力を仮設定出力に調節したときに燃料電池1から発生する出力増大時発生熱量(kW)を下記の式3にて求め、仮設定出力を燃料電池1にて得る場合と商用電源7にて得る場合との予測エネルギ消費量の差である出力抑制時発電用エネルギ量差(kW)を下記の式4にて求めて、それら出力増大時発生熱量及び出力抑制時発電用エネルギ量差を各仮設定出力に対応付けて、前記運転制御部5のメモリ37に記憶させてある。
出力抑制時発電用エネルギ量差=仮設定出力÷電池発電効率−仮設定出力÷商用電源発電効率……………(式4)
但し、商用電源発電効率は、商用電源7における単位エネルギ消費量(kWh)に対する発電出力(kWh)の比率である。
先ず、時系列的な過去負荷電力データ及び時系列的な過去熱負荷データを管理して、その管理データに基づいて、時系列的な予測負荷電力データ及び時系列的な予測熱負荷データを求めるデータ管理処理について説明を加える。ちなみに、熱負荷データは、前記給湯先に湯水を給湯するときの給湯負荷熱量データ及び給湯量データからなる。
運転制御部5は、実負荷電力データ、実給湯負荷熱量データ及び実給湯量データを運転周期及び単位時間に対応付けてメモリ37に記憶することにより、過去の時系列的な負荷電力データ及び過去の時系列的な熱負荷データを、設定期間(例えば、運転日前の4週間)にわたって、運転周期毎に単位時間毎に対応付けて管理するように構成されている。
尚、この第1実施形態では、給湯温度を予め設定された設定給湯温度(目標給湯温度に相当する)として、実給湯負荷熱量は給湯流量センサ36の検出流量と設定給湯温度とにより求められる。
ちなみに、予測負荷電力データの単位はkWhであり、予測給湯負荷熱量データの単位はkcal/hであり、予測給湯量データの単位はリットルである。尚、この実施形態では、熱量の単位をkcalにて示す場合があるが、1kWh=860kcalの関係に基づいて860に設定される係数αにて各値を除することにより、kWhの単位として求めることができる。
つまり、どの運転形態の予測エネルギ削減量を求める場合でも、燃料電池1を運転しない場合の予測エネルギ消費量E1は、同様に求められる。
但し、予測給湯負荷熱量はkWhに変換した値である。
但し、予測不足熱量はkWhに変換した値である。
商用電源発電効率:商用電源7における単位エネルギ消費量(kWh)に対する発電出力(kWh)の比率であり、例えば、0.366に設定される。
補助加熱器熱効率:補助加熱器28における単位エネルギ消費量(kWh又はkcal)に対する発生熱量(kWh又はkcal)の比率であり、例えば0.7に設定される。
但し、各式において、添え字「n」は、運転周期における単位時間の順序を示し、例えば、n=1のときは、運転周期の1番目の単位時間を示す。
[予測貯湯熱量n-1≧予測給湯負荷熱量nの場合]
予測不足熱量n=0……………(式10)
[予測貯湯熱量n-1<予測給湯負荷熱量nの場合]
予測不足熱量n=予測給湯負荷熱量n−予測貯湯熱量n-1……………(式11)
[予測貯湯量n≧予測給湯量nの場合]
予測不足熱量n=(予測給湯温度−予測貯湯温度n-1)×予測給湯流量n……………(式12)
[予測貯湯量n<予測給湯量nの場合]
予測不足熱量n=(予測給湯温度−予測貯湯温度n-1)×予測貯湯量n-1+(予測給湯温度−給水温度)×(予測給湯流量n−予測貯湯量n-1)……………(式13)
但し、上記の式14にて求められた予測貯湯量nが貯湯槽2の容量(以下、貯湯槽容量と記載する場合がある)よりも大きいときは、予測貯湯量nは貯湯槽容量とされる。
又、(予測貯湯温度n-1−給水温度)×予測貯湯量n-1−予測貯湯槽利用熱量n<0のときは、(予測貯湯温度n-1−給水温度)×予測貯湯量n-1−予測貯湯槽利用熱量n=0とされる。
又、予測貯湯量n-1−予測給湯負荷熱量n÷(予測貯湯温度n-1−給水温度)<0のときは、予測貯湯量n-1−予測給湯負荷熱量n÷(予測貯湯温度n-1−給水温度)=0とされる。
る。
予測貯湯槽供給温度n=燃料電池送出温度+{(電気ヒータ回収熱量n−放熱熱量)÷予測出力熱量n}×(燃料電池送出温度−給水温度)……………(式17)
予測貯湯可能熱量n=予測出力熱量n−放熱熱量+電気ヒータ回収熱量n……………(式18)
又、燃料電池送出温度は、前記貯湯用熱交換器24にて前記燃料電池1の冷却水にて加熱された湯水の温度であり、前記目標加熱温度に設定され、放熱熱量は、前記湯水循環路16における前記貯湯用熱交換器24から前記貯湯槽2までの部分における放熱ロスであり、予め設定されている。
但し、βは、電気ヒータ12にて余剰電力(kWh)を熱(kWh)に変換するときの効率であるヒータ効率であり、例えば、0.9に設定される。
但し、電池発電効率は、燃料電池1における単位エネルギ消費量(kWh)に対する発電出力(kWh)の比率を示し、電池熱効率は、燃料電池1における単位エネルギ消費量(kWh)に対する発生熱量(kWh)の比率を示し、これら電池発電効率及び電池熱効率は発電出力に応じて変動するものであり、予め、発電出力に応じて設定されて前記メモリ37に記憶されている。そして、運転制御部5は、その電池発電効率及び電池熱効率の記憶情報から予測発電出力に応じた電池発電効率及び電池熱効率を求めるように構成されている。
[予測貯湯熱量n-1≧予測給湯負荷熱量nの場合]
予測貯湯槽利用熱量n=給湯負荷熱量n……………(式21)
[予測貯湯熱量n-1<予測給湯負荷熱量nの場合]
予測貯湯槽利用熱量n=予測貯湯熱量n-1……………(式22)
[予測貯湯量n-1≧予測給湯量nの場合]
予測貯湯槽利用熱量n=(予測貯湯温度n-1−給水温度)×予測給湯流量n……………(式23)
[予測貯湯量n-1<予測給湯量nの場合]
予測貯湯槽利用熱量n=(予測貯湯温度n-1−給水温度)×予測貯湯量n-1……………(式24)
即ち、n番目の単位時間では燃料電池1が運転されないので、上記の式15において、予測貯湯可能熱量nを0とし、又、説明をわかり易くするために、予測給湯負荷熱量nが0であって予測貯湯槽利用熱量nが0であるとすると、上記式15は、下記の式15aとなる。
そして、給水温度は気温に応じて変化するものであるので、n番目の単位時間の予測貯湯温度は、n−1番目の単位時間の予測貯湯温度が同じであるとすると、気温が低いほど低く求められることになる。
負荷追従連続運転形態の予測エネルギ削減量は、以下のようにして求める。
各単位時間の予測エネルギ消費量を前記式9により発電出力を電主出力として求め、求めた各単位時間の予測エネルギ消費量を積算することにより、運転周期予測エネルギ消費量を求め、その運転周期予測エネルギ消費量に基づいて、式8により、燃料電池1を運転した場合の予測エネルギ消費量E2を求める。そして、そのように求めた燃料電池1を運転した場合の予測エネルギ消費量E2と式7により求めた燃料電池1を運転しない場合の予測エネルギ消費量E1とに基づいて、式6により、予測エネルギ削減量Pを求める。
即ち、運転周期における複数の単位時間のうちの熱不足単位時間(複数存在するときは、運転周期の開始時点に最も近いもの)よりも以前の単位時間のうちで、選択した1つ又は連続する複数の単位時間を発電出力を設定増大出力に調節する強制運転用時間帯とし且つ運転周期の残りの単位時間を発電出力を電主出力に調節する電主運転用時間帯とする形態で、前記強制運転用時間帯として選択する単位時間を異ならせることにより、強制運転用の仮運転パターンを全て形成し、全ての仮運転パターンについて、上記の式6〜式8に基づいて、予測エネルギ削減量を求める。
尚、強制運転用時間帯の単位時間の予測エネルギ消費量を前記式9により発電出力を設定増大出力として求め、電主運転用時間帯の単位時間の予測エネルギ消費量を前記式9により発電出力を電主出力として求めて、求めた各単位時間の予測エネルギ消費量を積算することにより、運転周期予測エネルギ消費量を求める。
尚、熱余り単位時間が生じず且つ予測エネルギ削減量が最大の強制運転用の仮運転パターンにおいて、未だ、熱不足単位時間が生じるときは、熱不足単位時間が生じなくなるまで、上述の処理を繰り返すことになる。
即ち、運転周期における複数の単位時間のうちの熱余り単位時間(複数存在するときは、運転周期の開始時点に最も近いもの)よりも以前の単位時間のうちで、選択した1つ又は連続する複数の単位時間を発電出力を設定抑制出力に調節する抑制運転用時間帯とし且つ運転周期の残りの単位時間を発電出力を電主出力に調節する電主運転用時間帯とする形態で、前記抑制運転用時間帯として選択する単位時間を異ならせることにより、抑制運転用の仮運転パターンを全て形成し、全ての仮運転パターンについて、上記の式6〜式8に基づいて、予測エネルギ削減量を求める。
尚、抑制運転用時間帯の単位時間の予測エネルギ消費量を前記式9により発電出力を設定抑制出力として求め、電主運転用時間帯の単位時間の予測エネルギ消費量を前記式9により発電出力を電主出力として求めて、求めた各単位時間の予測エネルギ消費量を積算することにより、運転周期予測エネルギ消費量を求める。
尚、熱不足単位時間が生じず且つ予測エネルギ削減量が最大の抑制運転用の仮運転パターンにおいて、未だ、熱余り単位時間が生じるときは、熱余り単位時間が生じなくなるまで、上述の処理を繰り返すことになる。
運転周期の複数の単位時間のうちで、選択した1つ又は連続する複数の単位時間を前記運転時間帯を構成する単位時間とし且つ運転周期の残りの単位時間を燃料電池1を停止する停止時間帯を構成する単位時間とする形態で、前記運転時間帯を構成する単位時間として選択する単位時間を異ならせることにより、全ての仮運転パターンが形成され、その全ての仮運転パターンのうち、運転周期の全単位時間を運転時間帯とするパターンを除いた全ての仮運転パターンが、1日対応型断続運転用の仮運転パターンとしてメモリ37に記憶されている。
即ち、第1番目の単位時間から運転を開始させるパターンとして、第1番目の単位時間を運転時間帯とするパターン、第1、第2番目の単位時間を運転時間帯とするパターン、第1〜第3番目の単位時間を運転時間帯とするパターン・・・第1〜第23番目の単位時間を運転時間帯とするパターンの23種類がある。また、第2番目の単位時間から運転開始させるパターンとして、この第2番目の単位時間を運転時間帯とするパターン、第2、第3番目の単位時間を運転時間帯とするパターン・・・第2〜第24番目の単位時間を運転時間帯とするパターンの23種類がある。このように、運転周期の最後の第24番目の単位時間を運転時間帯とするパターンまで、1日対応型断続運転用の仮運転パターンは、299種類のものがある。
尚、運転時間帯に含まれる単位時間の予測エネルギ消費量は前記式9により発電出力を電主出力として求め、運転時間帯に含まれない単位時間の予測エネルギ消費量は0として、各単位時間の予測エネルギ消費量を積算することにより、運転周期予測エネルギ消費量を求める。
又、運転時間帯に含まれない単位時間の予測出力熱量は0になり、運転時間帯に含まれない単位時間の予測貯湯量、予測貯湯温度及び予測貯湯熱量は、予測出力熱量nを0として求める。
尚、図3は、22時に予測不足熱量が発生し、そして、その22時の予測貯湯温度が50°Cであって予測給湯温度の46°Cよりも高く、且つ、21時の予測貯湯熱量が3072kcalであって22時の予測給湯負荷熱量の3200kcalよりも少ないので、上記の式11により予測不足熱量が求められる場合の例を示す。
即ち、全ての1日対応型断続運転用の仮運転パターンに運転周期の全ての単位時間を運転時間帯とする仮運転パターンを加えた全ての仮運転パターンのうち、上述のように運転時間帯において発電出力を電主出力に調節したときに最初の運転周期における最終の単位時間の予測貯湯熱量が0よりも大きい仮運転パターンを2日対応型の仮運転パターンとして選択する。
例えば、図3に示す断続運転用の仮運転パターンは、最終の単位時間(2時)の予測貯湯熱量が2005kcalであって0よりも大きいので、2日対応型の仮運転パターンとして選択される。
そして、2日対応型の仮運転パターンの全てについて、最初の運転周期の最終の単位時間の予測貯湯熱量が2回目の運転周期の予測給湯負荷熱量として利用されたとして、2回目の運転周期の複数の単位時間夫々について、予測貯湯熱量及び予測貯湯槽利用熱量を求める。
尚、各単位時間の予測貯湯量、予測貯湯温度及び予測貯湯熱量は、予測出力熱量nを0として求める。
又、各単位時間の予測貯湯槽利用熱量は、上記の式21〜式24により求める。
そして、全ての2日対応型の仮運転パターンのうちで予測エネルギ削減量が最大の2日対応型の仮運転パターンを、2日対応型の負荷追従断続運転形態の運転パターンに設定し、その2日対応型の仮運転パターンの予測エネルギ削減量を2日対応型の負荷追従断続運転形態の予測エネルギ削減量として求める。
即ち、全ての2日対応型の仮運転パターンのうち、2回目の運転周期における最終の単位時間の予測貯湯熱量が0よりも大きい仮運転パターンを3日対応型の仮運転パターンとして選択し、3日対応型の仮運転パターンの全てについて、2回目の運転周期の最終の単位時間の予測貯湯熱量が3回目の運転周期の予測給湯負荷熱量として利用されたとして、上述した2回目の運転周期におけるのと同様に、3回目の運転周期の複数の単位時間夫々について、予測貯湯熱量及び予測貯湯槽利用熱量を求める。
そして、全ての3日対応型の仮運転パターンのうちで予測エネルギ削減量が最大の3日対応型の仮運転パターンを、3日対応型の負荷追従断続運転形態の運転パターンに設定し、その3日対応型の仮運転パターンの予測エネルギ削減量を3日対応型の負荷追従断続運転形態の予測エネルギ削減量として求める。
即ち、全ての1日対応型断続運転用の仮運転パターンの夫々について、各仮運転パターンにて設定されている運転時間帯において発電出力を設定増大出力に調節する状態で燃料電池1を運転すると仮定して、前記式6〜式8に基づいて予測エネルギ削減量Pを求める。
尚、運転時間帯に含まれる単位時間の予測エネルギ消費量は前記式9により発電出力を設定増大出力として求め、運転時間帯に含まれない単位時間の予測エネルギ消費量は0として、各単位時間の予測エネルギ消費量を積算することにより、運転周期予測エネルギ消費量を求める。
即ち、全ての1日対応型断続運転用の仮運転パターン夫々について、各仮運転パターンにて設定されている運転時間帯において発電出力を設定抑制出力に調節する状態で燃料電池1を運転すると仮定して、前記式6〜式8に基づいて予測エネルギ削減量Pを求める。
尚、運転時間帯に含まれる単位時間の予測エネルギ消費量は前記式9により発電出力を設定抑制出力として求め、運転時間帯に含まれない単位時間の予測エネルギ消費量は0として、各単位時間の予測エネルギ消費量を積算することにより、運転周期予測エネルギ消費量を求める。
つまり、運転制御部5が、2日対応型の負荷追従、強制及び抑制の夫々の断続運転形態、並びに、3日対応型の負荷追従、強制及び抑制の夫々の断続運転形態について、運転用の運転周期における時系列的な予測負荷電力及び時系列的な予測給湯負荷熱量、並びに、待機用の運転周期における時系列的な予測給湯負荷熱量に基づいて、運転用の運転周期における燃料電池1の時系列的な予測エネルギ消費量及び補助加熱器28の時系列的な予測エネルギ消費量並びに待機用運転周期における補助加熱器28の時系列的な予測エネルギ消費量に関係する運転メリットを求めるように構成されることになる。
又、運転制御部5は、上述のように求めた1日対応型、2日対応型及び3日対応型夫々の負荷追従断続運転形態の予測エネルギ削減量、1日対応型、2日対応型及び3日対応型夫々の強制断続運転形態の予測エネルギ削減量、並びに、1日対応型、2日対応型及び3日対応型夫々の抑制断続運転形態の予測エネルギ削減量の9個の予測エネルギ削減量のうちで、最大のものを断続運転形態の予測エネルギ削減量として設定する。
そして、運転制御部5は、上述のように設定した連続運転形態の予測エネルギ削減量及び断続運転形態の予測エネルギ削減量に基づいて、それら連続運転形態の予測エネルギ削減量及び断続運転形態の予測エネルギ削減量のうちの予測エネルギ削減量が大きい方に対応する運転形態に燃料電池1の運転形態を定める。
燃料電池1を停止させていても、例えば発電可能な状態に維持しておく等のために、エネルギ(電力)が消費されるものであり、運転周期内の全時間帯において燃料電池1を停止させているときにコージェネレーションシステムにて消費されるエネルギを、予め実験等により求めて、待機時消費エネルギZとして、メモリ37に記憶させてある。
又、熱負荷賄い率U/LのUは、燃料電池1の予測出力熱量を0として、最初の運転周期の予測給湯負荷熱量のうち、最初の運転周期の開始時点における貯湯熱量にて賄えると予測される予測貯湯槽利用熱量である。
例えば、運転周期の開始時点が、図3にて示す2回目の運転周期の開始時点の状態であると仮定すると、Lは、2回目の運転周期の各単位時間の予測給湯負荷熱量を合計した値となり、Uは、2回目の運転周期の各単位時間の予測貯湯槽利用熱量を合計した値となる。
尚、前記下位設定値Kは、例えば、0.4に設定する。
つまり、ステップ#14にて最初の運転周期における最終の単位時間の貯湯熱量が0になると判断した仮運転パターンの夫々について、燃料電池1を運転した場合の予測エネルギ消費量E2を前記式8により求めて、その求めた予測エネルギ消費量E2及び前記式7により求めた燃料電池1を運転しない場合の予測エネルギ消費量E1を前記式6に代入することにより、予測エネルギ削減量Pを求め、求めた予測エネルギ削減量Pが最大の仮運転パターンの運転時間帯を運転継続時間に設定する。
つまり、燃料電池1の運転形態を負荷追従連続運転形態に定めたときは、運転周期の全時間帯にわたって燃料電池1の発電出力を現在要求されている現負荷電力に追従させる現負荷電力追従運転を実行する。
その現負荷電力追従運転では、1分等の比較的短い所定の出力調整周期毎に現負荷電力を求め、最小出力(例えば300W)から最大出力(例えば1000W)の範囲内で、連続的に現負荷電力に追従する電主出力を決定し、燃料電池1の発電出力をその決定した電主出力に調整する形態で運転する。
尚、前記現負荷電力は、前記負荷電力計測手段11の計測値及び前記インバータ6の出力値に基づいて計測し、更に、その現負荷電力は、前の出力調整周期において所定のサンプリング時間(例えば5秒)でサンプリングしたデータの平均値として求められる。
燃料電池1の運転形態を強制連続運転形態に定めたときは、燃料電池1の発電出力を設定増大出力にすると定められている単位時間では燃料電池1の発電出力を設定増大出力に調節し、他の単位時間では現負荷電力追従運転を実行する。
燃料電池1の運転形態を1日対応型、2日対応型、3日対応型のいずれの抑制断続運転に定めたときも、運転時間帯に含まれる単位時間のうち設定抑制出力が設定されている単位時間では燃料電池1の発電出力を設定抑制出力に調節し、停止時間帯に含まれる単位時間においては燃料電池1を停止させる。
燃料電池1の運転形態を1日対応型、2日対応型、3日対応型のいずれの強制断続運転に定めたときも、運転時間帯に含まれる単位時間のうち設定増大出力が設定されている単位時間では燃料電池1の発電出力を設定増大出力に調節し、停止時間帯に含まれる単位時間においては燃料電池1を停止させる。
以下、第2実施形態を説明するが、この第2実施形態は、運転制御部5の運転形態選定処理における制御動作の別の実施形態を説明するものであって、コージェネレーションシステムの全体構成は第1実施形態と同様であるので、コージェネレーションシステムの全体構成については説明を省略して、主として、運転制御部5の運転形態選定処理における制御動作について説明する。
即ち、上記の第1実施形態においては、各単位時間の予測貯湯温度を求めて、その予測貯湯温度が予測給湯温度以上のとき、及び、予測貯湯温度が予測給湯温度よりも低いときの夫々に応じて予測不足熱量及び予測貯湯槽利用熱量を求めたが、この第2実施形態においては、各単位時間の予測貯湯熱量を求めて、予測貯湯温度に関係なく、単に予測貯湯熱量と予測給湯負荷熱量とに基づいて予測不足熱量及び予測貯湯槽利用熱量を求める。
即ち、各単位時間の予測貯湯熱量を下記の式25により求め、その求めた各単位時間の予測貯湯熱量に基づいて、各単位時間の予測不足熱量を下記の式26により求め、各単位時間の予測貯湯槽利用熱量を下記の式27〜式29により求める。
る。
但し、n=1のときの予測貯湯熱量0は、上記の式1に基づいて求めた値であり、予測熱出力は、上記の式20にて求める。
但し、予測不足熱量n<0のときは、予測不足熱量n=0とされる。
予測貯湯槽利用熱量n=予測給湯負荷熱量n……………(式27)
予測貯湯熱量n-1<予測給湯負荷熱量nのときは、
予測貯湯槽利用熱量n=予測貯湯熱量n-1……………(式28)
予測貯湯熱量n-1=0のときは、
予測貯湯槽利用熱量n=0……………(式29)
そして、前記運転制御部5は、前記貯湯温度低下度合検知手段Dにて求められた貯湯温度低下度合が前記複数周期対応型の断続運転形態における前記待機用の運転周期の数を減らす条件として定めた待機用運転周期減少条件を満足するときは、前記運転用の運転形態の選定対象とする前記複数周期対応型の断続運転形態における前記待機用の運転周期の数を減らすように構成されている。
この第2実施形態では、前記複数周期対応型の断続運転形態として、3日対応型の断続運転形態及び2日対応型の断続運転形態が設けられているので、前記貯湯温度低下度合検知手段Dにて求められた貯湯温度低下度合が前記待機用運転周期減少条件を満足するときは、3日対応型の断続運転形態を運転用の運転形態の選定対象から除外し、2日対応型の断続運転形態を運転用の運転形態の選定対象とすることにより、運転用の運転形態の選定対象とする複数周期対応型の断続運転形態における待機用の運転周期の数を減らすように構成されている。
又、運転制御部5は、前記貯湯温度低下度合検知手段Dにて求められた貯湯温度低下度合が前記待機用運転周期減少条件よりも貯湯温度低下度合が大きい条件に定めた2周期対応型除外条件を満足するときは、前記2日対応型の断続運転形態を除外した状態で前記運転用の運転形態を選定するように構成されている。
前記運転制御部5は、前記給水温度センサSiにて検出される給水温度に基づいて、給水温度が待機用運転周期減少用の設定温度Ts1よりも高い場合は、貯湯温度低下度合を小と求め、給水温度が前記待機用運転周期減少用の設定温度Ts1以下で且つその待機用運転周期減少用の設定温度Ts1よりも低い2周期対応型除外用の設定温度Ts2よりも高い場合は、貯湯温度低下度合を中と求め、給水温度が前記2周期対応型除外用の設定温度Ts2以下の場合は、貯湯温度低下度合を大と求めるように構成されている。
そして、給水温度が前記待機用運転周期減少用の設定温度Ts1以下で且つ前記2周期対応型除外用の設定温度Ts2よりも高い条件、即ち、貯湯温度低下度合が中である条件が、待機用運転周期減少条件として定められ、給水温度が前記2周期対応型除外用の設定温度Ts2以下の条件、即ち、貯湯温度低下度合が大である条件が、2周期対応型除外条件として定められている。
ちなみに、前記待機用運転周期減少用の設定温度Ts1が例えば15°Cに設定され、前記2周期対応型除外用の設定温度Ts2が例えば10°Cに設定される。
運転制御部5は、運転周期の開始時点になる毎に、データ管理処理を実行して、時系列的な予測負荷電力データ、並びに、時系列的な給湯負荷熱量データ及び時系列的な給湯量データからなる時系列的な給湯熱負荷データを求める(ステップ#21,22)。
続いて、前記給水温度センサSiにて検出される給水温度Tiが待機用運転周期減少用の設定温度Ts1よりも高い(即ち、貯湯温度低下度合が小である)場合、給水温度Tiが2周期対応型除外用の設定温度Ts2よりも高く且つ待機用運転周期減少用の設定温度Ts1以下(即ち、貯湯温度低下度合が中)の場合、及び、給水温度Tiが2周期対応型除外用の設定温度Ts2以下(即ち、貯湯温度低下度合が大)の場合の夫々に応じて、運転メリット演算処理を実行し、続いて、断続運転形態の予測エネルギ削減量Piを設定する処理を実行する(ステップ#23〜#30)。
続いて、ステップ#32にて、上述の処理にて設定した連続運転形態の予測エネルギ削減量Pc及び断続運転形態の予測エネルギ削減量Piに基づいて、燃料電池1の運転形態を設定する運転形態設定処理を実行する。この運転形態設定処理は、上記の第1実施形態において説明した図4のフローチャートにおけるステップ#6〜17の処理と同様であるので説明を省略する。
以下、第3実施形態を説明するが、この第3実施形態は、上記の第2実施形態における貯湯温度低下度合検知手段Dの別の実施形態を説明するものであるので、主として、貯湯温度低下度合検知手段Dについて説明する。
そして、前記待機用運転周期減少条件が、前記予測貯湯温度が前記目標給湯温度よりも低くなる条件に設定されている。
前記運転制御部5は、待機用の運転周期の数が最大の複数周期対応型の断続運転形態における待機用の運転周期の数を貯湯温度演算用の待機用の運転周期の数として、上記の第1実施形態において説明した式15aに基づいて、貯湯温度演算用の数の待機用の運転周期夫々について、複数の単位時間夫々の予測貯湯温度を求めるように構成されている。つまり、この運転制御部5を用いて前記貯湯温度低下度合検知手段Dが構成されている。
ちなみに、n=1のときの予測貯湯温度0は、貯湯用熱交換器24にて加熱されて湯水循環路16を通して貯湯槽2に供給される湯水の温度である貯湯槽供給温度(上記の第1実施形態において説明した目標加熱温度(例えば60°C))に設定される。
例えば、この第3実施形態では、待機用の運転周期の最大数は2つであるので、2つの時系列に並ぶ待機用の運転周期夫々について、複数の単位時間夫々の予測貯湯温度を求めることになる。
例えば、この第3実施形態では、2つ目の待機用の運転周期に予測貯湯温度が目標給湯温度よりも低くなる単位時間が存在する場合は、3日対応型の断続運転形態を運転用の運転形態の選定対象から除外し、1つ目の待機用の運転周期に予測貯湯温度が目標給湯温度よりも低くなる単位時間が存在する場合は、2日対応型の断続運転形態も運転用の運転形態の選定対象から除外することになる。
次に別実施形態を説明する。
(イ) 上記の第1〜第3の各実施形態において、複数周期対応型の負荷追従、抑制及び強制の各断続運転形態として、待機用の運転周期の数が1つの2日対応型及び待機用の運転周期の数が2つの3日対応型の2種を備える場合について例示したが、複数周期対応型の各断続運転形態に含ませる種類は2種に限定されるものではなく、例えば、待機用の運転周期の数が3つの4日対応型を加えた3種、更に、待機用の運転周期の数が4つの5日対応型を加えた4種を備えるように構成しても良い。
例えば、貯湯槽2を上下方向に定量ずつの複数の区画に区分して、複数の区画夫々の湯水の温度の経時的な変化を予測して、上方の区画から順に給湯路27を通して送出されるとして、各区画の湯水の予測温度と目標給湯温度とを比較して、湯水の予測温度が目標給湯温度よりも低い区画毎に予測不足熱量を求め、求めた予測不足熱量に基づいて補助加熱器28のエネルギ消費量を求めるように構成しても良い。
説明を加えると、給水路29から貯湯槽2への単位時間当たりの給水量についての時系列的な給水量データ、貯湯用循環路16を通して循環される単位時間当たりの湯水循環量についての時系列的な湯水循環量データ、及び、貯湯槽2の容量データに基づいて、運転周期の各単位時間毎に、貯湯槽2における前記複数の区画夫々について、貯湯用循環路16を通して循環されて貯湯用熱交換器24にて加熱された湯水が存在する加熱湯水存在区画であるか否かを判別し、加熱湯水存在区画については加熱後の経過時間を求める。
そして、加熱湯水存在区画の湯水の予測温度を下記の式30により求める。
又、nは、貯湯用熱交換器24にて加熱された後の経過時間である。
例えば、運転メリットを求める運転周期の月日を特定するカレンダ機能を運転制御部5に備えさせて、そのカレンダ機能により特定した月日に基づいて貯湯温度低下度合を求めるように構成しても良い。
又、インターネットを通じてコージェネレーションシステムが設置されている場所の気温を入手して、その気温に基づいて貯湯温度低下度合を求めるように構成しても良い。
例えば、複数周期対応型の断続運転形態として、2日対応型及び3日対応型に加えて、4日対応型を含むように構成する。
待機用運転周期減少条件として、第1段の待機用運転周期減少条件と、その第1段の待機用運転周期減少条件よりも貯湯温度低下度合が大きい条件に定めた第2段の待機用運転周期減少条件との2段階に設定する。
そして、貯湯温度低下度合検知手段Dにて求められた貯湯温度低下度合が第1段の待機用運転周期減少条件を満足するときは、4日対応型の断続運転形態を運転用の運転形態の選定対象から除外し、貯湯温度低下度合検知手段Dにて求められた貯湯温度低下度合が第2段の待機用運転周期減少条件を満足するときは、4日対応型及び3日対応型の断続運転形態を運転用の運転形態の選定対象から除外するように構成する。
説明を加えると、複数周期対応型除外条件を、2周期対応型除外条件と同様に、給水温度が2周期対応型除外用の設定温度Ts2以下の条件、即ち、貯湯温度低下度合が大である条件に定める。
そして、給水温度Tiが2周期対応型除外用の設定温度Ts2以下の場合は、3日対応型及び2日対応型の断続運転形態を除外した状態で運転用の運転形態を選定するように構成する。
又、上記の第1〜第3の各実施形態においては、電気ヒータ12を、湯水循環路16を通流する貯湯槽2の湯水を加熱するように設ける場合について例示したが、冷却水循環路13を通流する燃料電池1の冷却水を加熱するように設けても良い。
上述のいずれの場合も、貯湯温度センサShの検出温度が目標加熱温度になるように湯水循環量を調節すべく湯水循環ポンプ17の作動を制御することになり、貯湯温度センサShにて温度が検出される湯水は、電気ヒータ12が余剰電力を消費することにより発生する熱にて加熱された後の湯水であるので、予測貯湯槽供給温度は、上記の式17において電気ヒータ回収熱量を0として求めることになる。
例えば、予測負荷電力に対して設定増大率大きい電力に設定する方法、発電出力調節範囲における最大出力に設定する方法、あるいは、複数段階の仮設定増大出力を総当りして、上記の式6〜式8により求める予測エネルギ削減量が最大の仮設定増大出力を設定増大出力に設定する方法でも良い。
又、抑制連続運転形態及び抑制断続運転形態における設定抑制出力の設定方法としては、上記の各実施形態において例示した方法に限定されるものではない。
例えば、予測負荷電力に対して設定減少率小さい電力に設定する方法、発電出力調節範囲における最小出力に設定する方法、あるいは、複数段階の仮設定抑制出力を総当りして、上記の式6〜式8により求める予測エネルギ削減量が最大の仮設定抑制出力を設定抑制出力に設定する方法でも良い。
に、例えば、ガスエンジンにより発電機を駆動するように構成したもの等、種々のものを適用することができる。
動させる関係として、予測貯湯温度が目標給湯温度よりも低くなる関係である場合を例示したが、その他の例としては、予測貯湯温度が目標給湯温度より数°C(例えば、1あるいは2°C)高い温度よりも低くなる関係を挙げることができる。つまり、予測貯湯温度が目標給湯温度より高くても、補助加熱手段を通過するときに低くなる虞があることに鑑みて、補助加熱手段を最小加熱量にて加熱する場合を挙げることができる。
この場合の補助加熱手段の加熱作動について、補助加熱手段が上記実施形態の補助加熱器28にて構成される場合を例に挙げて説明を加えると、予測貯湯温度が目標給湯温度よりも低いときには、上記実施形態と同様に、補助加熱器28の加熱作動が制御され、予測貯湯温度が目標給湯温度とそれよりも数°C高い温度の間の温度範囲にあるときには、補助加熱器28が最小燃焼量にて加熱作動するように制御されることになる。そして、このように補助加熱器28を最小燃焼量にて作動させたときには、上記実施形態と同様に、温水の温度が目標給湯温度になるようにミキシング弁34の作動を制御することになる。
ちなみに、このように補助加熱器28を最小燃焼量にて作動させたときに、温水の温度が目標給湯温度になるようにするにあたって、補助加熱器28にて加熱される前の貯湯槽からの湯水に水を供給するミキシング弁を備えさせる場合においては、目標給湯温度、湯水の通水量、及び、最小燃焼量による加熱熱量から、補助加熱器28にて加熱した後の湯水の温度を目標給湯温度にするために、補助加熱器28に供給する湯水の供給温度を求めて、その供給温度になるようにミキシング弁にて水を貯湯槽からの湯水に混合させるようにすることができる。
2 貯湯槽
5 制御手段
27 給湯路
28 補助加熱手段
29 給水路
D 貯湯温度低下度合検知手段
H 貯湯手段
Claims (9)
- 電力と熱とを併せて発生する熱電併給装置と、給水路を通して給水され且つ給湯路を通して湯水が送出される貯湯槽と、前記熱電併給装置にて発生する熱にて貯湯槽に貯留される湯水を加熱する貯湯手段と、前記給湯路を通流する湯水を加熱する補助加熱手段と、前記給湯路を通流する湯水の温度が目標給湯温度よりも低いときにその給湯路を通流する湯水を前記目標給湯温度に加熱するように前記補助加熱手段の加熱作動を制御する運転制御手段とが設けられ、
前記運転制御手段が、時系列的な予測負荷電力及び時系列的な予測負荷熱量を時系列に並ぶ運転周期毎に区分けして管理し、且つ、
周期的な運転形態選定タイミングにおいて、前記時系列的な予測負荷電力及び前記時系列的な予測負荷熱量に基づいて、前記熱電併給装置が消費すると予測される時系列的な予測エネルギ消費量及び前記補助加熱手段が消費すると予測される時系列的な予測エネルギ消費量に関係する運転メリットを、複数種の運転形態の夫々について求めて、前記複数種の運転形態のうちで運転メリットが高い運転形態を前記熱電併給装置の運転用の運転形態として選定するように構成され、
前記複数種の運転形態のうちの一部が、時系列的に並ぶ運転周期のうちの1つを前記熱電併給装置の運転を行う運転用の運転周期とし、それに続く運転周期を前記熱電併給装置の運転を停止する待機用の運転周期とし、且つ、前記運転用の運転周期において前記熱電併給装置を運転する運転時間帯を、前記熱電併給装置の時系列的な予測エネルギ消費量及び前記補助加熱手段の時系列的な予測エネルギ消費量に関係する運転メリットが高くなる時間帯に定める複数周期対応型の断続運転形態であるコージェネレーションシステムであって、
前記貯湯槽に貯湯された湯水の貯湯温度が外部放熱により低下する貯湯温度低下度合を求める貯湯温度低下度合検知手段が設けられ、
前記運転制御手段は、前記貯湯温度低下度合検知手段にて求められた貯湯温度低下度合が前記複数周期対応型の断続運転形態における前記待機用の運転周期の数を減らす条件として定めた待機用運転周期減少条件を満足するときは、前記運転用の運転形態の選定対象とする前記複数周期対応型の断続運転形態における前記待機用の運転周期の数を減らすように構成されているコージェネレーションシステム。 - 前記運転制御手段は、前記貯湯温度低下度合検知手段にて求められた貯湯温度低下度合が前記待機用運転周期減少条件よりも貯湯温度低下度合が大きい条件に定めた複数周期対応型除外条件を満足するときは、前記複数周期対応型の断続運転形態を除外した状態で前記運転用の運転形態を選定するように構成されている請求項1記載のコージェネレーションシステム。
- 前記複数周期対応型の断続運転形態のうちの1つが、前記待機用の運転周期の数が1つの2周期対応型の断続運転形態であり、
前記運転制御手段は、前記貯湯温度低下度合検知手段にて求められた貯湯温度低下度合が前記待機用運転周期減少条件よりも貯湯温度低下度合が大きい条件に定めた2周期対応型除外条件を満足するときは、前記2周期対応型の断続運転形態を除外した状態で前記運転用の運転形態を選定するように構成されている請求項1又は2記載のコージェネレーションシステム。 - 前記貯湯温度低下度合検知手段が、前記貯湯温度低下度合に影響を与える情報として気温又は前記給水路を通して前記貯湯槽に供給される水の給水温度を検出して、その検出情報に基づいて前記貯湯温度低下度合を求めるように構成されている請求項1〜3のいずれか1項に記載のコージェネレーションシステム。
- 前記貯湯温度低下度合検知手段が、前記貯湯温度低下度合として、前記貯湯槽に貯湯される湯水の予測貯湯温度を求めるように構成され、
前記待機用運転周期減少条件が、前記予測貯湯温度と前記目標給湯温度との関係が前記補助加熱手段を作動させる関係となる条件である請求項1記載のコージェネレーションシステム。 - 電力と熱とを併せて発生する熱電併給装置と、給水路を通して給水され且つ給湯路を通して湯水が送出される貯湯槽と、前記熱電併給装置にて発生する熱にて貯湯槽に貯留される湯水を加熱する貯湯手段と、前記給湯路を通流する湯水を加熱する補助加熱手段と、前記給湯路を通流する湯水の温度が目標給湯温度よりも低いときにその給湯路を通流する湯水を前記目標給湯温度に加熱するように前記補助加熱手段の加熱作動を制御する運転制御手段とが設けられ、
前記運転制御手段が、時系列的な予測負荷電力及び時系列的な予測負荷熱量を時系列に並ぶ運転周期毎に区分けして管理し、且つ、
周期的な運転形態選定タイミングにおいて、前記時系列的な予測負荷電力及び前記時系列的な予測負荷熱量に基づいて、前記熱電併給装置が消費すると予測される時系列的な予測エネルギ消費量及び前記補助加熱手段が消費すると予測される時系列的な予測エネルギ消費量に関係する運転メリットを、複数種の運転形態の夫々について求めて、前記複数種の運転形態のうちで運転メリットが高い運転形態を前記熱電併給装置の運転用の運転形態として選定するように構成され、
前記複数種の運転形態のうちの一部が、時系列的に並ぶ運転周期のうちの1つを前記熱電併給装置の運転を行う運転用の運転周期とし、それに続く運転周期を前記熱電併給装置の運転を停止する待機用の運転周期とし、且つ、前記運転用の運転周期において前記熱電併給装置を運転する運転時間帯を、前記熱電併給装置の時系列的な予測エネルギ消費量及び前記補助加熱手段の時系列的な予測エネルギ消費量に関係する運転メリットが高くなる時間帯に定める複数周期対応型の断続運転形態であるコージェネレーションシステムであって、
前記運転制御手段が、前記補助加熱手段の予測エネルギ消費量として、前記貯湯槽に貯湯される湯水の熱量が不足する場合にそれを補うときのエネルギ消費量、及び、前記貯湯槽に貯湯される湯水の予測貯湯温度と前記目標給湯温度との関係が前記補助加熱手段を作動させる関係となる場合に、前記補助加熱手段を作動させるときのエネルギ消費量を加えたエネルギ消費量を求めるように構成されているコージェネレーションシステム。 - 前記複数周期対応型の断続運転形態のうちの1つが、前記待機用の運転周期の数が1つの2周期対応型の断続運転形態である請求項6記載のコージェネレーションシステム。
- 前記複数種の運転形態のうちの1つが、運転周期の一部の時間帯で前記熱電併給装置を運転し且つその運転周期において前記熱電併給装置を運転する運転時間帯を、前記熱電併給装置の時系列的な予測エネルギ消費量及び前記補助加熱手段の時系列的な予測エネルギ消費量に関係する運転メリットが高くなる時間帯に定める単周期対応型の断続運転形態である請求項1〜7のいずれか1項に記載のコージェネレーションシステム。
- 前記複数種の運転形態の1つが、運転周期の全時間帯にわたって前記熱電併給装置を連続して運転する連続運転形態である請求項1〜8のいずれか1項に記載のコージェネレーションシステム。
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