JP2010286233A - コジェネレーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】電力負荷に応じて出力電力を調整するように運転しながらも、給湯熱負荷に対する適応性及び省エネルギ性を向上させることができるコジェネレーションシステムを提供する。
【解決手段】 コジェネレーションシステムの制御装置４０は、切替手段（ステップ１１２，１２４）が、残湯量検出手段によって検出した残湯量に基づいて湯水生成増大制御手段（ステップ１１６）による制御と湯水生成減少制御手段（ステップ１３０）による制御とを切り替える。湯水生成増大制御手段（ステップ１１６）が、残湯量検出手段によって検出した残湯量が少ない場合には、湯水の生成を増大するように発電装置を制御する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、コジェネレーションシステムに関する。

コジェネレーションシステムとしては、負荷装置に電力を供給する発電装置と、発電量指示値に応じた発電量となるように発電装置を制御する制御装置と、発電装置の排熱を回収した湯水を貯湯する貯湯槽とを備えたものが知られている。このコジェネレーションシステムの一例としては、特許文献１に示されているコジェネレーションシステムがある。このコジェネレーションシステムは、電力負荷に応じて熱電併給装置３の出力電力を調整する運転形態として電力の出力状態を異なる状態に制限する複数の出力制限運転形態、および無制限運転形態を備えている。特許文献１の図６に示されているように、無制限運転形態では、平均電力負荷が出力目標値として設定され、上限絞り運転形態および下限絞り運転形態では、設定調整範囲のうち除外調整範囲を除いた範囲内で平均電力負荷が出力目標値として設定される（無段階式調整タイプの場合）。また、特許文献１の図７に示されているように、ステップ式調整タイプの出力調整運転における調整範囲上昇運転形態では、４段階の設定出力電力のうちの中間の５００Ｗ及び７５０Ｗに出力目標値が設定されるべき平均電力負荷のときでも、１０００Ｗに出力目標値が設定される。また、特許文献１の図９に示されているように、ステップ式調整タイプの出力調整運転における調整範囲下降運転形態では、４段階の設定出力電力のうちの中間の７５０Ｗに出力目標値が設定されるべき平均電力負荷のときでも、５００Ｗに出力目標値が設定される。

このように複数の出力制限運転形態として、予測給湯熱負荷に対して熱出力が不足するのを抑制して、熱出力が不足する状況に対処することが可能なもの、予測給湯熱負荷に対して熱出力が余剰となるのを抑制して、熱出力が余剰となる状況に対処することが可能なものを備えさせて、それら複数の出力制限運転形態から、予測電力負荷に応じて運転したときに、省エネ性が優れ且つ予測給湯熱負荷に応じた給湯量を得るのに優れたものを選択して、その選択した出力制限運転形態にて熱電併給装置を運転することから、熱出力不足状況及び熱出力余剰状況のいずれにも対処することが可能となると共に、省エネルギ性を向上することが可能となっていた。

特開２００４−２７１００６号公報

ところで、コジェネレーションシステムにおいては、発電装置の発電に伴って発生する二酸化炭素ＣＯ_２の削減（または一次エネルギの削減）に効果がある発電方法が要望されている。
そこで、本出願の発明者らは、二酸化炭素ＣＯ_２の削減に効果がある発電方法を次のような方法で求めた。
１．様々な家庭の電力消費量および給湯消費量データを計測する。
２．計測したデータを用いて最も二酸化炭素ＣＯ_２削減に効果的な発電量を解析する（線形計画法などを用いて）。
３．解析結果から、二酸化炭素ＣＯ_２削減に効果的な発電方法の知見を集める。

例えば、家庭の消費量分布は、図１に示すようになっている。すなわち、電力消費量が「小」であり給湯消費量（ガス消費量）が「大」である家庭（太い実線で囲まれている）は図１の左上に分布している。電力消費量が「大」であり給湯消費量が「小」である家庭（細い実線で囲まれている）は図１の右下に分布している。そして、電力消費量が「中」であり給湯消費量が「中」である家庭（太い破線で囲まれている）が、これら両グループの間に分布している。

電力消費量が「小」であり給湯消費量が「大」である家庭においては、図２に示すような電力消費量（図２にて細い実線で示す）に対して発電量を解析すると、最適な発電量は図２にて太い実線で示されることが得られる。したがって、電力消費量が「小」であり給湯消費量が「大」である家庭において、二酸化炭素ＣＯ_２削減に効果的な発電方法は電力消費量に追従する発電であることがわかる。

また、電力消費量が「中」であり給湯消費量が「中」である家庭においては、図３に示すような電力消費量（図３にて細い実線で示す）に対して発電量を解析すると、最適な発電量は図３にて太い実線で示されることが得られる。したがって、電力消費量が「中」であり給湯消費量が「中」である家庭において、二酸化炭素ＣＯ_２削減に効果的な発電方法は電力消費量の下側に沿った発電であることがわかる。

また、電力消費量が「大」であり給湯消費量が「小」である家庭においては、図４に示すような電力消費量（図４にて細い実線で示す）に対して発電量を解析すると、最適な発電量は図４にて太い実線で示されることが得られる。したがって、電力消費量が「大」であり給湯消費量が「小」である家庭において、二酸化炭素ＣＯ_２削減に効果的な発電方法は電力消費量の下側に沿った発電電力よりさらに低い電力での発電であることがわかる。

つまり、上述した３パターンにおいては各パターンに応じた発電方法にて発電することが二酸化炭素ＣＯ_２の削減（または一次エネルギの削減）に最も効果があることがわかった。

一方、上述した特許文献１に記載のコジェネレーションシステムにおいては、電力負荷に応じて出力電力を調整するように運転しながらも、給湯熱負荷に対する適応性及び省エネルギ性を向上することができる。しかし、少なくとも、電力消費量が「大」であり給湯消費量が「小」である場合に対しては、前述した二酸化炭素ＣＯ_２削減に効果的な発電方法は実施されていない。したがって、給湯熱負荷に対する適応性及び省エネルギ性をさらに向上する余地がある。

本発明は、上述した各問題を解消するためになされたもので、電力負荷に応じて出力電力を調整するように運転しながらも、給湯熱負荷に対する適応性及び省エネルギ性を向上させることができるコジェネレーションシステムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、負荷装置に電力を供給する発電装置と、発電量指示値に応じた発電量となるように前記発電装置を制御する制御装置と、前記発電装置の排熱を回収した湯水を貯湯する貯湯槽と、を備えたコジェネレーションシステムにおいて、前記貯湯槽の残湯量を検出する残湯量検出手段と、前記負荷装置にて消費された消費電力量を検出する消費電力量検出手段と、をさらに備え、前記制御装置は、前記残湯量検出手段によって検出した残湯量が少ない場合には、前記湯水の生成を増大するように前記発電装置を制御する湯水生成増大制御手段と、前記残湯量検出手段によって検出した残湯量が多い場合には、前記湯水の生成を減少するように前記発電装置を制御する湯水生成減少制御手段と、前記残湯量検出手段によって検出した残湯量に基づいて前記湯水生成増大制御手段による制御と前記湯水生成減少制御手段による制御とを切り替える切替手段と、前記消費電力量検出手段によって検出された消費電力量のデータを記憶する記憶手段と、を備え、前記湯水生成増大制御手段は、前記記憶手段に記憶されている消費電力量のデータに基づいて、前記消費電力量検出手段によって検出された消費電力量に対して前記発電装置の出力電力を追従させる第１の追従制御が実行可能であるか否かを判定する判定手段と、該判定手段が前記第１の追従制御が実行可能であると判定した場合には、前記第１の追従制御を実行する第１追従制御実行手段と、前記判定手段が第１の追従制御が実行可能でないと判定した場合には、前記第１の追従制御と異なりかつ前記発電装置の出力応答性能を考慮した第２の追従制御を実行する第２追従制御実行手段と、を備えたことである。

上記のように構成した請求項１に係る発明の制御装置においては、切替手段が、残湯量検出手段によって検出した残湯量に基づいて湯水生成増大制御手段による制御と湯水生成減少制御手段による制御とを切り替える。そして、湯水生成増大制御手段が、残湯量検出手段によって検出した残湯量が少ない場合には、湯水の生成を増大するように発電装置を制御し、湯水生成減少制御手段が、残湯量検出手段によって検出した残湯量が多い場合には、湯水の生成を減少するように発電装置を制御する。したがって、貯湯槽の残湯量に応じた発電方法に適切に切り替えて、貯湯槽の残湯量を考慮して適切な発電出力量に制御するので、電力負荷に応じて出力電力を調整するように運転しながらも、給湯熱負荷に対する適応性及び省エネルギ性を向上させることができる。

また、湯水生成増大制御手段は、判定手段が第１の追従制御が実行可能であると判定した場合には、第１の追従制御を実行し、判定手段が第１の追従制御が実行可能でないと判定した場合には、第１の追従制御と異なりかつ発電装置の出力応答性能を考慮した第２の追従制御を実行する。したがって、負荷装置の消費電力が発電装置の出力応答性能内で変動する場合には、制御装置は第１の追従制御が実行可能であると判定して第１の追従制御を実行し、一方負荷装置の消費電力が発電装置の出力応答性能を超えて激しく周期的に変動するような場合には、制御装置は第１の追従制御が実行可能でないと判定して第２の追従制御を実行する。これにより、激しく周期的に変動する消費電力に発電装置の発電電力が追従できるか否かを判定し、その判定結果に応じた発電制御を発電装置に実行させることにより、発電出力をできるだけ増大して、湯水生成をできるだけ増大する発電を実施することができる。

一般家庭の給湯消費量および電力消費量の消費分布を示す図である。 電力消費量が「小」であり給湯消費量が「大」である家庭の電力消費量および最適な発電量を示すグラフである。 電力消費量が「中」であり給湯消費量が「中」である家庭の電力消費量および最適な発電量を示すグラフである。 電力消費量が「大」であり給湯消費量が「小」である家庭の電力消費量および最適な発電量を示すグラフである。 本発明によるコジェネレーションシステムの一実施形態の概要を示す概要図である。 図５に示した制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。 図５に示した制御装置にて実行される湯水生成増大制御ルーチンのフローチャートである。 図５に示した制御装置にて実行される湯水生成減少制御ルーチンのフローチャートである。 本発明によって処理される激しく周期的に変動する消費電力を示すグラフである。 図９に示す消費電力を本発明のフィルタ処理したグラフである。 図１０に示すグラフを使用して発電量が消費電力に追従できるか否かの信号を示すグラフである。 本発明によって処理される激しく周期的に変動する消費電力および本発明による発電量を示すグラフである。 本発明によって処理される激しく周期的に変動する消費電力および従来技術による発電量を示すグラフである。 本発明のコジェネレーションシステムで消費される給湯消費量および貯湯槽の残湯量を示すグラフである。 本発明によって得られるパラメータを示すグラフである。 本発明による発電量を示す発電量を示すグラフである。

以下、本発明によるコジェネレーションシステムの一実施の形態について説明する。図１はこのコジェネレーションシステムの概要を示す概要図である。このコジェネレーションシステムは、負荷装置２１に電力を供給する発電装置１０と、発電装置１０の排熱を回収した湯水を貯湯する貯湯槽３０と、発電量指示値に応じた発電量となるように発電装置１０を制御する制御装置４０とを備えている。

発電装置１０は、燃料電池発電装置であり、直流電力を発生する発電器１１と、発電器１１から供給された直流電力を交流電力に変換して出力する変換器（例えばインバータ）１２とを備えている。なお、発電装置１０としては、燃料電池発電装置の他に、ディーゼルエンジン、ガスエンジン、ガスタービン、マイクロガスタービンなどの原動機とこの原動機によって駆動される発電機から構成されたものでもよい。

発電器１１は、改質装置、一酸化炭素低減装置（以下ＣＯ低減装置という）および燃料電池から構成されている。改質装置は、燃料供給装置１３から供給される燃料を水供給装置１４から供給される水で水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成してＣＯ低減装置に導出するものである。ＣＯ低減装置は、改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減して燃料電池に導出するものである。燃料電池は、燃料極に供給された改質ガス中の水素および空気極に供給された酸化剤ガスである空気を用いて発電するものである。

変換器１２は、電力使用場所２０に設置されている複数の負荷装置２１に送電線１５を介してそれぞれ接続されており、変換器１２から出力される交流電力は必要に応じて各負荷装置２１に供給されている。負荷装置２１は、電灯、アイロン、テレビ、洗濯機、電気コタツ、電気カーペット、エアコン、冷蔵庫などの電気器具である。なお、変換器１２と電力使用場所２０とを接続する送電線１５には電力会社の系統電源１６も接続されており（系統連系）、発電装置１０の発電量より負荷装置２１の総消費電力が上回った場合、その不足電力を系統電源１６から受電して補うようになっている。電力計２２は、負荷装置２１にて消費された消費電力量を検出する消費電力量検出手段であり、電力使用場所２０で使用される全ての負荷装置２１の合計消費電力を検出して、発電制御装置４０に送信するようになっている。

また、発電器１１には、発電器１１の排熱を回収して発電器１１を冷却する熱媒体が循環する冷却回路３１が接続されている。冷却回路３１上には、熱交換器３２が配設されている。一方、後述する貯湯槽３０には、貯湯槽３０内の湯水を加熱するための湯水循環回路３３が接続されている。湯水循環回路３３上には、熱交換器３２が配設されている。熱交換器３２は、冷却回路３１を循環する熱媒体と湯水循環回路３３を循環する湯水との間で熱交換が行われるものである。これにより、発電器１１の発電中に図示しないポンプが駆動されて、冷却回路３１を熱媒体が循環し、湯水循環回路３３を湯水が循環すると、発電器１１の排熱が熱媒体および熱交換器３２を通って湯水に回収されて湯水が加熱されるようになっている。発電器１１の排熱とは、例えば、燃料電池発電装置の場合、燃料電池スタックの排熱や改質装置の排熱などをいい、エンジン発電装置の場合、エンジンの排熱などが挙げられる。しかし、それに限定せず発電機それ自体の熱など回収可能な排熱なら何でも利用できる。

貯湯槽３０は、１つの柱状容器を備えており、その内部に温水が層状に、すなわち上部の温水が最も高温であり下部にいくにしたがって低温となり下部の温水が最も低温であるように貯留されるようになっている。貯湯槽３０に貯留されている高温の温水が貯湯槽３０の柱状容器の上部から導出され、その導出された分を補給するように水供給装置１４からの水道水などの水（低温の水）が貯湯槽３０の柱状容器の下部から導入されるようになっている。このような貯湯槽３０は、発電装置１０の近くに設置されている。

また、貯湯槽３０の内部には残湯量検出センサである温度センサ群３４が設けられている。温度センサ群３４は複数（本実施の形態においては５個）の温度センサ３４−１，３４−２，３４−３，・・・，３４−５から構成されており、上下方向（鉛直方向）に沿って等間隔（貯湯槽３０内の上下方向高さの十分の一の距離）にて配設されている。温度センサ３４−１は貯湯槽３０の内部上面位置に配置されている。各温度センサ３４−１，３４−２，３４−３，・・・，３４−５はその位置の貯湯槽３０内の液体（温水または水）の温度をそれぞれ検出するものである。この温度センサ群による各位置での湯温の検出結果に基づいて貯湯槽３０内の残湯量が検出されるようになっている。残湯量は、貯湯槽３０内に残っている所定温度（例えば６０℃）以上である温水の残量を表している。したがって、例えば、各温度センサ３４−１〜３４−３が６０℃以上を検出し、各温度センサ３４−４〜３４−５が６０℃未満を検出している場合には、残湯量検出センサ３４は貯湯槽３０天井内壁面から温度センサ３４−３までの水量（湯量）を残湯量として検出する。このときの残湯量は貯湯槽３０の容量の１／２である。また、各温度センサ３４−１〜３４−４が６０℃以上を検出し、各温度センサ３４−５が６０℃未満を検出している場合には、残湯量検出センサ３４は貯湯槽３０の容量の３／４を残湯量として検出する。

なお、６０℃以上を検出した温度センサと６０℃未満を検出した温度センサとの間の残湯量は、これら両温度センサを含む上下複数の温度センサによって算出される温度勾配とセンサ間距離に基づいて算出することができるので、この算出したセンサ間の残湯量を合算することにより、貯湯槽３０内の残湯量をより正確に算出することができる。

貯湯槽３０には、給湯管３５が接続されている。給湯管３５には、上流から順番に補助加熱装置である電気湯沸かし器（図示省略）、温度センサ（図示省略）および流量センサ３６が配設されている。電気湯沸かし器は、給湯管３５を通過する貯湯槽３０からの湯水を加熱して給湯するようになっている。温度センサは電気湯沸かし器を通過した後の湯水の温度を検出するものであり、その検出信号は制御装置４０に送信されるようになっている。すなわち、温度センサで検出した湯水の温度が設定された給湯温度となるように、電気湯沸かし器で加熱している。また、図示していないが、給湯管３５には貯湯槽３０の導出口と温度センサとの間に水供給装置１４からの水道水が合流するようになっている。これにより、貯湯槽３０からの湯水を降温している。流量センサ３６は、貯湯槽３０から供給されている湯水量（給湯量）を検出するものである。流量センサ３６の検出信号は制御装置４０に送信されるようになっている。制御装置４０は、受信した給湯消費量を記憶して給湯需要パターンを作成・更新している。

給湯管３５には、貯湯槽３０に貯留している湯水を給湯として利用する湯水使用場所２５に設置されている複数の湯利用機器２６ａが接続されている。この湯利用機器２６ａとしては、浴槽、シャワ、キッチン（キッチンの蛇口）、洗面所（洗面所の蛇口）などがある。また、給湯管３５には、貯湯槽３０の湯水を熱源として利用する湯水使用場所２５に設置されている熱利用機器２６ｂが接続されている。この熱利用機器２６ｂとしては、浴室暖房、床暖房、浴槽の湯を追い炊き機構などがある。なお、熱利用機器２６ｂは貯湯槽３０の湯水を直接利用する場合や貯湯槽３０の湯水を間接的に利用する場合がある。

制御装置４０は、マイクロコンピュータ（図示省略）を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示省略）を備えている。ＣＰＵは、図６〜図８のフローチャートに対応したプログラムを実行して、発電装置の発電量（出力電力）を制御している。ＲＡＭは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭは前記プログラムを記憶するものである。

次に、上述したコジェネレーションシステムの作動について図６〜図８を参照して説明する。制御装置４０は、発電器１１が発電可能な状態となると、図６に示すプログラムを所定の短時間毎（例えば、６０秒）に実行する。制御装置４０は、温度センサ群３４を使用して貯湯槽３０の残湯量を計測し（ステップ１０２）、計測した残湯量を制御装置４０の記憶部（図示省略）に記憶する（ステップ１０４）。そして、制御装置４０は、流量センサ３６を使用して湯水使用場所２５の給湯消費量を計測し（ステップ１０６）、計測した給湯消費量を制御装置４０の記憶部（図示省略）に記憶する（ステップ１０８）。このとき、計測した日時を合わせて記憶する。また、この給湯消費量データから給湯消費量履歴（湯水需要パターン）を作成・記憶する。さらに、制御装置４０は、湯水需要パターンおよび今回計測した給湯消費量に基づいて所定時間先までの給湯予測量を算出する（ステップ１１０）。このとき、給湯の使用先を検出しその検出結果を利用してもよい。

制御装置４０は、先に計測した残湯量、先に算出した給湯予測量、およびパラメータＴに基づいて発電装置１０の発電出力を制御する。パラメータＴは、湯水生成増大制御を実行するか湯水生成減少制御を実行するかを切り替えるための値である。パラメータＴが０であれば湯水生成増大制御が実行され、パラメータＴが０以外であれば湯水生成減少制御が実行される。また、パラメータＴは、このような切り替えをするためだけでなく、最小消費電力量を導出する消費電力データの範囲（所定時間範囲）すなわち過去何時間分の中から最小消費電力量を導出する所定時間を規定する値でもある。この所定時間が短くて例えば１分であれば（Ｔ＝１であれば）、過去１分間の消費電力のデータ（前回と今回の消費電力）のなかから最小値を選択することになる。また、この所定時間が長くて例えば１２０分であれば（Ｔ＝１２０であれば）、過去１２０分間の消費電力のデータのなかから最小値を選択することになる。消費電力が変動することを考慮すると、所定時間が長いほど消費電力量の小さい値が含まれやすくなる。

（１）残湯量が給湯予測量に第１所定値を加算した値以下であり、かつ、パラメータＴが０である場合、制御装置４０は、湯水生成増大制御を実施する（ステップ１１６）。すなわち、制御装置４０は、ステップ１１２、１１４にてそれぞれ「ＹＥＳ」と判定した場合、またはステップ１１２、１１４にて「ＹＥＳ」、「ＮＯ」と判定し、ステップ１２０でパラメータＴが１減少した結果０となって、ステップ１２２にて「ＹＥＳ」と判定した場合、プログラムをステップ１１６に進めて湯水生成増大制御ルーチン（後述する）を実行する。

なお、ステップ１１２においては、残湯量から給湯予測値を減算した値が第１所定値以下であれば「ＹＥＳ」と判定し、そうでなければ「ＮＯ」と判定する。第１所定値は、貯湯槽３０の容量の半分以下に設定されるのが好ましく、また、突発的に使用される給湯量などを考慮して設定されるのが好ましい。また、ステップ１１４、１２２においては、パラメータＴが０であれば「ＹＥＳ」と判定し、そうでなければ「ＮＯ」と判定する。

（２）残湯量が給湯予測量に第１所定値を加算した値以下であり、かつ、パラメータＴが０でない場合、制御装置４０は、湯水生成減少制御を実施する（ステップ１３０）。具体的には、制御装置４０は、ステップ１１２、１１４にて「ＹＥＳ」、「ＮＯ」と判定し、ステップ１２０でパラメータＴが１減少した結果０とならない場合、ステップ１２２にて「ＮＯ」と判定して、プログラムをステップ１３０に進めて湯水生成減少制御ルーチン（後述する）を実行する。

（３）残湯量が給湯予測量に第１所定値を加算した値より大きく、かつ残湯量が給湯予測量に第２所定値を加算した値以上である場合、制御装置４０は、湯水生成減少制御を実施する（ステップ１３０）。具体的には、制御装置４０は、ステップ１１２、１２４にて「ＮＯ」、「ＹＥＳ」と判定して、プログラムをステップ１３０に進めて湯水生成減少制御ルーチン（後述する）を実行する。

なお、ステップ１２４においては、残湯量から給湯予測値を減算した値が第２所定値以上であれば「ＹＥＳ」と判定し、そうでなければ「ＮＯ」と判定する。また、制御装置４０は、ステップ１２４にて「ＹＥＳ」と判定するとプログラムをステップ１２６に進めて、パラメータＴがＴｍａｘに達していない場合には、パラメータＴを１増加する（ステップ１２８）。一方パラメータＴがＴｍａｘに達している場合には、ステップ１２８をジャンプしてパラメータＴの増加を中止する。ステップ１２６においては、パラメータＴがＴｍａｘ以上であれば「ＹＥＳ」と判定し、そうでなければ「ＮＯ」と判定する。
また、第２所定値は第１所定値より大きい値に設定されている。第２所定値は、貯湯槽３０の容量の半分より大きい値に設定されるのが好ましい。

（４）残湯量が給湯予測量に第１所定値を加算した値より大きく、かつ残湯量が給湯予測量に第２所定値を加算した値未満である場合、制御装置４０は、それまでの制御すなわち湯水生成増大制御または湯水生成減少制御を実施する（ステップ１３２）。具体的には、制御装置４０は、ステップ１１２、１２４にて「ＮＯ」とそれぞれ判定して、プログラムをステップ１３２に進めて現在実施されている湯水生成制御を維持する。

具体的にパラメータＴの作動は、図１５に示すようになる。貯湯槽３０の残湯量が給湯予測量に第１所定値を加算した値であるとする。この状態で発電装置１０の運転が開始されると（時刻ｔ０）、時刻ｔ０では、残湯量が給湯予測量に第１所定値を加算した値以下であり、かつ、パラメータＴが０であるので、制御装置４０は、湯水生成増大制御を実施する（ステップ１１６）。これにより、高温の湯水が生成されて貯湯槽３０の上層から貯まり始めて、残湯量が給湯予測量に第１所定値を加算した値より多くなる。

残湯量が給湯予測量に第２所定値を加算した値に到達するまで（時刻ｔ１）は、現在実施されている湯水生成増大制御を維持する（ステップ１３２）。これにより、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間、湯水生成増大制御が実施されて、湯水生成が多くなる発電が実施される。また、残湯量が給湯予測量に第２所定値を加算した値に到達するまで（時刻ｔ１）は、パラメータＴは変更されないので０のままである。

残湯量が給湯予測量に第２所定値を加算した値に到達すると（時刻ｔ１）、残湯量が給湯予測量に第１所定値を加算した値より大きく、かつ残湯量が給湯予測量に第２所定値を加算した値以上であるので、制御装置４０は、パラメータＴを増加させるとともに湯水生成減少制御を実施する（ステップ１３０）。これにより、パラメータＴの長大に伴って湯水の生成量が少なくなる発電が実施されることにより、貯湯槽３０が温度的に満タンになりにくくなる。

パラメータＴが増加してＴｍａｘに到達すると（時刻ｔ２）、それ以上パラメータＴの値が増加するのを防止するために、パラメータＴの増加を中止する。一方、パラメータＴはＴｍａｘと同じ値を維持しているので、引き続き湯水生成減少制御が実施される。

このような制御が実施されるなか、給湯が開始される（時刻ｔ３）と、貯湯槽３０の高温の湯水が消費されて貯湯槽３０の残湯量が少なくなる。残湯量が、給湯予測量に第２所定値を加算した値より小さくなり、給湯予測量に第１所定値を加算した値まで少なくなるまで（時刻ｔ４）は、現在実施されている湯水生成減少制御を維持する（ステップ１３２）。これにより、時刻ｔ２から時刻ｔ４までの間、湯水生成減少制御が実施されて、湯水生成が少なくなる発電が実施される。また、残湯量が給湯予測量に第１所定値を加算した値まで少なくなるまで（時刻ｔ４）は、パラメータＴは変更されないのでＴｍａｘと同じ値のままである。

残湯量が給湯予測量に第１所定値を加算した値に到達すると（時刻ｔ４）、残湯量が給湯予測量に第１所定値を加算した値以下であり、かつ、パラメータＴが０でないので、制御装置４０は、パラメータＴを減少させるとともに湯水生成減少制御を実施する（ステップ１３０）。これにより、パラメータＴの短小に伴って湯水の生成量が多くなる発電が実施されることにより、貯湯槽３０が温度的に空になりにくくなる。

そして、パラメータＴの減少が進んでパラメータＴが０になると（時刻ｔ５）、制御装置４０は、湯水生成増大制御を実施する（ステップ１１６）。これにより、高温の湯水が生成されて貯湯槽３０の上層から再び貯まり始める。

次に、上述したステップ１１６で実施される湯水生成増大制御について図７のフローチャートに沿って説明する。制御装置４０は、電力計２２を使用して電力使用場所２０の消費電力を計測し（ステップ２０２）、計測した消費電力を記憶する（ステップ２０４）。そして、制御装置４０は、記憶されている消費電力のデータをフィルタ処理し（フィルタ処理手段：ステップ２０６）、このフィルタ処理手段によってフィルタ処理された処理値と所定値を比較する（比較手段：ステップ２０８）。このとき、処理値が所定値未満である場合には「ＹＥＳ」と判定し第１の追従制御が実行可能であると判定して判別信号を０に設定し（ステップ２１０）、処理値が所定値以上である場合には「ＮＯ」と判定し第１の追従制御が実行可能でないと判定して判別信号を１に設定する（ステップ２１２）。第１の追従制御とは、消費電力と同一となるように発電装置１０の出力電力を追従させる制御であり、第１の追従制御が実行可能であるとは、消費電力の変動が発電装置１０の出力応答性能の範囲内であって第１の追従制御が実行できることである。

具体的には、ステップ２０６において、フィルタ処理として、発電装置１０の出力応答性能の範囲外である消費電力の周波数成分すなわち発電装置１０の出力電力が追従できない周波数成分のみを通過させて発電装置１０の出力電力が追従できる低い周波数成分を除去している。すなわち、現時点のデータおよび記憶されている過去数件分（本実施形態においては２件分）のデータあるいは最近の所定時間分のデータに基づいて下記数１によってフィルタ処理を実行している。

なお、ｕ[ｋ]およびｙ[ｋ]は現時点でのデータ例えば時刻ｋの入力データおよび出力値（処理値）であり、ｚは遅れ演算子であり、ａ０，ａ１，ａ２，ｂ０，ｂ１，ｂ２は定数である。

図９に示すように、領域Ａ１、Ａ２およびＡ３において発電装置１０の出力応答性能を超えて消費電力が激しく周期的に変動するような場合、例えば電気コタツ、電気カーペット、エアコン、冷蔵庫など自動的に電源がオン・オフされる電気器具が外部負荷である場合において、電気器具の電源のオン・オフが発電装置１０の出力応答性能を超えて繰り返される場合には、激しく周期的に変動する消費電力に発電電力が追従できない。しかし、このような消費電力のデータを上述したステップ２０６によってフィルタ処理すると、図１０に示すように、低周波成分が除去されて高周波成分が強調される信号となる。これにより、フィルタ処理後の処理値と所定値Ｃとを容易に比較することが可能となり、発電電力が追従できない領域Ａ１、Ａ２およびＡ３を確実かつ的確に判定することができる。そして、ステップ２０８、２１０、２１２によって処理すると、図１１に示すように、処理値が所定値未満である場合には第１の追従制御が実行可能であると判定して判別信号を０に設定し、処理値が所定値以上である場合には第１の追従制御が実行可能でないと判定して判別信号を１に設定する。

そして、制御装置４０は、判別信号が０である場合には、第１の追従制御を実行し（ステップ２１４，２１６）、判別信号が１である場合には、第１の追従制御と異なりかつ発電装置１０の出力応答性能を考慮した第２の追従制御を実行する（ステップ２１４，２１８）。具体的には、制御装置４０は、発電量が追従できる消費電力である場合には、記憶されている消費電力のデータを直接入力してその値を発電量指示値として発電器１１に指示し、発電量が電力使用場所２０で計測された消費電力に追従するように制御する（ステップ２１６）。一方、発電量が追従できない消費電力である場合には、平準化された消費電力のデータを入力した値を発電量指示値として発電器１１に指示し、発電量が平準化した消費電力に追従するように制御する（ステップ２１８）。なお第２の追従制御は、記憶されている消費電力のデータを減衰処理したもの（本実施形態においては平準化したもの）に対して出力電力を追従させる制御であり、発電装置１０の出力応答性能の範囲内となるようになっている。

したがって、発電量が追従できない消費電力である場合における本発明による発電量は、図１２にて細い実線で示される激しく周期的に変動する消費電力を平準化して振動が抑制（減衰）されたものに追従されるので、図１２にて太い実線で示されるように制御される。図１２においては上述した領域Ａ１を拡大して示している。図１２から明らかなように、発電量は消費電力の平均値をとるように変動している。一方、発電量が追従できない消費電力である場合における従来技術による発電量は、激しく変動する消費電力にできるだけ追従するように制御されるので、図１３にて太い実線で示されるように消費電力の下側に沿うように制御される。したがって、本発明によれば、発電量が追従できない消費電力である場合、従来と比べて発電量を多くすることができるので、電力会社から購入する電力を少なく抑えることができる。また、発電量の振動を抑制することができるので発電量増加時の先行燃料投入量を少なく抑えることができるため、これにより二酸化炭素の発生も少なく抑えることができる。

さらに、上述したステップ１３０で実施される湯水生成減少制御について図８のフローチャートに沿って説明する。制御装置４０は、電力計２２を使用して電力使用場所２０の消費電力を計測し（ステップ３０２）、計測した消費電力を記憶する（ステップ３０４）。このとき、計測した日時を合わせて記憶する。また、この電力消費量データから電力消費量履歴（電量需要パターン）を作成・記憶する。そして、制御装置４０は、電力消費量データ（消費電力データ）のなかから現時点から所定時間前までのデータを読み出しそのなかで最小の消費電力量を導出する（ステップ３０６）。この所定時間は上述したようにパラメータＴで規定される値である。そして、制御装置４０は、この導出した消費電力量を発電量指示値として発電器１１に指示し、発電量が最小消費電力量となるように制御する（ステップ３０８）。

例えば、図１４の細い実線で示すように、給湯消費量が消費される場合、貯湯槽３０の残湯量は、図１４の太い実線で示すように変動する。そして、パラメータＴが、このように変動する残湯量および給湯予測量に基づいて上述したように算出される。その結果を図１５に示す。このパラメータＴの結果に基づいて、発電方法が湯水生成増大制御または湯水生成減少制御に切り替えられるとともに、湯水生成減少制御の際には、パラメータＴが大きければ湯水の生成を減少するように発電し、パラメータＴが小さければ湯水の生成を増大するように発電する。

すなわち、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間、パラメータＴは０であるので、湯水生成増大制御が実施される。時刻ｔ１から時刻ｔ５までの間、パラメータＴは０より大きいので、湯水生成減少制御が実施される。このとき、パラメータＴが大きくなるほど、所定時間が長くなるので、消費電力量の小さい値を得やすくなる。したがって、発電装置１０への発電量指示値を小さくすることにより、図１６に示すように、電力消費量の下側に沿った発電電力（図１３で示すような発電出力）よりさらに低い電力で発電することができる。これにより、貯湯槽３０が温度的に満タン状態となるかまたは満タン状態に近づく場合には、所定時間が長くなるので、消費電力量のデータを多くして選択の幅を広くすることにより、発電指示値をできるだけ小さい値に設定することができる。また、むやみに発電指示値を小さい値に設定することなく最近の消費傾向を踏まえて設定することができる。

また、パラメータＴが小さくなるほど、所定時間が短くなるので、消費電力量に追従する値を得やすくなる。したがって、発電装置１０への発電量指示値を消費電力量に近づけることにより、図１６に示すように、電力消費量の下側に沿った発電電力（図１３で示すような発電出力）に近い値で発電することができる。これにより、貯湯槽３０が温度的に空状態に近づく場合には、所定時間が短くなるので、消費電力量のデータを少なくして選択の幅を狭くすることにより、発電指示値をできるだけ消費電力量に近い値に設定することができる。
そして、時刻ｔ５以降は、パラメータＴは０であるので、湯水生成増大制御が実施される。なお、本実施形態の発電装置１０の最大出力は１ｋＷであるので、それ以上は出力できない。

上述した説明から明らかなように、本実施形態においては、切替手段（ステップ１１２，１２４）が、残湯量検出手段（温度センサ群３４）によって検出した残湯量に基づいて湯水生成増大制御手段（ステップ１１６）による制御と湯水生成減少制御手段（ステップ１３０）による制御とを切り替える。そして、湯水生成増大制御手段（ステップ１１６）が、残湯量検出手段によって検出した残湯量が少ない場合には、湯水の生成を増大するように発電装置を制御し、湯水生成減少制御手段（ステップ１３０）が、残湯量検出手段によって検出した残湯量が多い場合には、湯水の生成を減少するように発電装置を制御する。したがって、貯湯槽３０の残湯量に応じた発電方法に適切に切り替えて、貯湯槽３０の残湯量を考慮して適切な発電出力量に制御するので、電力負荷に応じて出力電力を調整するように運転しながらも、給湯熱負荷に対する適応性及び省エネルギ性を向上させることができる。

また、記憶手段（ステップ３０２）が、消費電力量検出手段（電力計２２）によって検出された消費電力量のデータを記憶し、発電量指示値導出手段（ステップ３０６）が、記憶手段に記憶されている消費電力量のデータのうちの最近の所定時間中の最小消費電力量を発電量指示値として導出し、発電制御手段（ステップ３０８）が、発電量指示値導出手段によって導出した発電量指示値に応じた発電量となるように発電装置１０を制御する。したがって、発電出力をできるだけ抑制して、湯水生成をできるだけ減少する発電を実施することができる。

また、所定時間は、貯湯槽３０が温度的に満タン状態となるかまたは満タン状態に近づくほど長くなり、温度的に空状態となるかまたは空状態に近づくほど短くなるように変更される。これにより、貯湯槽３０が温度的に満タン状態となるかまたは満タン状態に近づく場合には、所定時間が長くなるので、消費電力量のデータを多くして選択の幅を広くすることにより、発電指示値をできるだけ小さい値に設定することができる。また、むやみに発電指示値を小さい値に設定することなく最近の消費傾向を踏まえて設定することができる。

また、湯水生成増大制御手段（ステップ１１６）は、判定手段（ステップ２１４）が第１の追従制御が実行可能であると判定した場合には、第１の追従制御（ステップ２１６）を実行し、判定手段（ステップ２１４）が第１の追従制御が実行可能でないと判定した場合には、第１の追従制御と異なりかつ発電装置の出力応答性能を考慮した第２の追従制御（ステップ２１８）を実行する。したがって、負荷装置２１の消費電力が発電装置１０の出力応答性能内で変動する場合には、制御装置４０は第１の追従制御が実行可能であると判定して第１の追従制御を実行し、一方負荷装置の消費電力が発電装置の出力応答性能を超えて激しく周期的に変動するような場合には、制御装置４０は第１の追従制御が実行可能でないと判定して第２の追従制御を実行する。これにより、激しく周期的に変動する消費電力に発電装置４０の発電電力が追従できるか否かを判定し、その判定結果に応じた発電制御を発電装置に実行させることにより、発電出力をできるだけ増大して、湯水生成をできるだけ増大する発電を実施することができる。

なお、上述した実施形態においては、ステップ１１２において、残湯量が給湯予測量に第１所定値を加算した値以下であれば「ＹＥＳ」と判定しそうでなければ「ＮＯ」と判定するようにしたが、残湯量が０であれば「ＹＥＳ」と判定しそうでなければ「ＮＯ」と判定するようにしてもよい。このとき、ステップ１２４において、残湯量が給湯予測量に第２所定値を加算した値以上であれば「ＹＥＳ」と判定しそうでなければ「ＮＯ」と判定する代わりに、残湯量が貯湯槽３０の容量（例えば１５０リッター）であれば「ＹＥＳ」と判定しそうでなければ「ＮＯ」と判定するようにしてもよい。また、ステップ１１２において、残湯量が温度的に空状態より所定量多い状態（例えば１０リッター）であれば「ＹＥＳ」と判定しそうでなければ「ＮＯ」と判定するようにするとともに、ステップ１２４において、残湯量が温度的に満タン状態より所定量少ない状態（例えば１４０リッター）であれば「ＹＥＳ」と判定しそうでなければ「ＮＯ」と判定するようにしてもよい。

また、発電装置１０としては、発電装置１０として燃料電池発電装置を採用したが、これに代えて、太陽光発電装置、風力発電装置、マイクロガスタービン発電装置、ガスエンジン発電装置などを採用するようにしてもよい。
また、発電装置１０としては、発電器１１が交流電力を発生して交換器１２を介さずに直接出力するものもある。

１０…発電装置、１１…発電器、１２…変換器、１３…燃料供給装置、１４…水供給装置、１５…送電線、１６…系統電源、２１…負荷装置、２６ａ…湯利用機器、２６ｂ…熱利用機器、３０…貯湯槽、３６…流量センサ、４０…制御装置。

Claims (1)

1. 負荷装置に電力を供給する発電装置と、
   発電量指示値に応じた発電量となるように前記発電装置を制御する制御装置と、
   前記発電装置の排熱を回収した湯水を貯湯する貯湯槽と、
   を備えたコジェネレーションシステムにおいて、
   前記貯湯槽の残湯量を検出する残湯量検出手段と、
   前記負荷装置にて消費された消費電力量を検出する消費電力量検出手段と、
   をさらに備え、
   前記制御装置は、
   前記残湯量検出手段によって検出した残湯量が少ない場合には、前記湯水の生成を増大するように前記発電装置を制御する湯水生成増大制御手段と、
   前記残湯量検出手段によって検出した残湯量が多い場合には、前記湯水の生成を減少するように前記発電装置を制御する湯水生成減少制御手段と、
   前記残湯量検出手段によって検出した残湯量に基づいて前記湯水生成増大制御手段による制御と前記湯水生成減少制御手段による制御とを切り替える切替手段と、
   前記消費電力量検出手段によって検出された消費電力量のデータを記憶する記憶手段と、
   を備え、
   前記湯水生成増大制御手段は、
   前記記憶手段に記憶されている消費電力量のデータに基づいて、前記消費電力量検出手段によって検出された消費電力量に対して前記発電装置の出力電力を追従させる第１の追従制御が実行可能であるか否かを判定する判定手段と、
   該判定手段が前記第１の追従制御が実行可能であると判定した場合には、前記第１の追従制御を実行する第１追従制御実行手段と、
   前記判定手段が第１の追従制御が実行可能でないと判定した場合には、前記第１の追従制御と異なりかつ前記発電装置の出力応答性能を考慮した第２の追従制御を実行する第２追従制御実行手段と、
   を備えたことを特徴とするコジェネレーションシステム。

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