JP2011137476A - コージェネレーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】熱電併給装置の設定出力を電力負荷に追従させる設定する電主出力運転を実行するにあたり、熱電併給装置の発電電力の電力負荷に対する余剰分である余剰電力の発生を抑制して、省エネルギ性の向上を図ることができるコージェネレーションを提供する。
【解決手段】熱と電力とを併せて発生する熱電併給装置で発生された熱を回収して湯水として貯える貯湯槽と、熱電併給装置の設定出力を電力負荷に追従させる電主運転制御を実行する運転制御手段とが設けられているコージェネレーションシステムであって、以下のように構成される。熱電併給装置の発電電力の電力負荷に対する余剰分である余剰電力Ｅｏを演算又は計測する余剰電力導出手段を備え、運転制御手段は、電主運転制御において、余剰電力導出手段により演算又は計測される余剰電力Ｅｏに基づいて電力負荷に対する設定出力の応答状態Ｒを調整する。
【選択図】図６

Description

本発明は、熱と電力とを併せて発生する熱電併給装置と、前記熱電併給装置で発生された熱を回収して湯水として貯える貯湯槽と、前記熱電併給装置の稼動時に前記熱電併給装置の出力を電力負荷に追従させる電主出力運転を実行可能な運転制御手段とが設けられているコージェネレーションシステムに関する。

かかるコージェネレーションシステムは、エンジン駆動発電機や燃料電池等の熱電併給装置を備えて、熱電併給装置の発電電力を電気機器等の電力消費部に供給する。また、熱電併給装置の発生熱を、例えばその熱により加熱した湯水として一旦貯湯槽に貯えて、給湯部や暖房機器等の熱消費部に供給する。
このように構成されたコージェネレーションシステムを各家庭などに設けると、その家庭で消費される電力の少なくとも一部を熱電併給装置の発電電力で補うことができる。その結果、商用電源からの受電電力を少なくすることができると共に、発電時に発生する熱を湯水の加熱に利用することができるため、省エネルギ性及び経済性の点で有効である。

このようなコージェネレーションシステムは、例えば、数分（例えば１分）等の比較的短い出力調整周期で、電力消費部における電力負荷に対して熱電併給装置の設定出力を追従させる電主運転制御を、運転制御手段が実行するように構成される場合がある（例えば、特許文献１を参照。）。

特開２００４−２８６００８号公報

このような電主運転制御において、現電力負荷が計測され、運転制御手段により熱電併給装置の出力が設定されて熱電併給装置の出力が追従するまでには、若干の遅延時間が生じる。例えば、電主運転制御中に電力負荷が急激に変動するような場合には、熱電併給装置の設定出力を敏感に追求させることができない。その結果、熱電併給装置の発電電力が電力負荷を上回り、熱電併給装置の発電電力の電力負荷に対する余剰分である余剰電力が発生する場合がある。
この余剰電力は、電気ヒータなどにより貯湯槽に貯える熱に変換して有効利用することができる。しかし、いわゆる熱余り状態、例えば、その時点で要求される熱負荷が多くなく、貯湯槽に蓄えられる湯水も満杯であるような状態など、余剰電力が有効に利用されない場合もある。従って、熱電併給装置の発電電力の電力負荷に対する余剰分である余剰電力の発生はできるだけ抑制されることが好ましい。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱電併給装置の設定出力を電力負荷に追従させる設定する電主出力運転を実行するにあたり、熱電併給装置の発電電力の電力負荷に対する余剰分である余剰電力の発生を抑制して、省エネルギ性の向上を図ることができるコージェネレーション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コージェネレーションシステムは、熱と電力とを併せて発生する熱電併給装置と、前記熱電併給装置で発生された熱を回収して湯水として貯える貯湯槽と、前記熱電併給装置の稼動時に前記熱電併給装置の設定出力を電力負荷に追従させる電主運転制御を実行する運転制御手段とが設けられているものであって、以下の特徴を有する。
即ち、その特徴構成は、前記熱電併給装置の発電電力の電力負荷に対する余剰分である余剰電力を演算又は計測する余剰電力導出手段を備え、前記運転制御手段が、前記電主運転制御において、前記余剰電力導出手段により演算又は計測される前記余剰電力に基づいて、前記電力負荷に対する前記設定出力の応答状態を調整する点にある。

この特徴構成によれば、余剰電力導出手段により余剰電力を導出（演算又は計測）し、この余剰電力に基づいて、運転制御手段が電主運転制御を行う。そして、この電主運転制御の際に、上記余剰電力に基づいて、電力負荷に対する設定出力の応答状態を調整する。これにより、余剰電力の発生を極力抑制することができると共に、熱電併給装置の発電電力にて極力電力負荷を賄えるようにすることができる。その結果、省エネルギ性の向上を図ることができるコージェネレーションを提供することができる。

また、本発明に係るコージェネレーションシステムは、前記運転制御手段が、前記余剰電力が大きいほど、前記応答状態を追従が鈍くなる側である低い側に調整する点を特徴とする。

熱余り状態などで、既に余剰電力が大きい場合に、さらに多くの余剰電力が発生することは望ましくない。本特徴によれば、余剰電力が大きいほど応答状態を追従が鈍くなる側である低い側に調整するので、電力負荷の変動に対して熱電併給装置の設定出力の追従が鈍くなる。その結果、余剰電力の発生も抑制される。

また、本発明に係るコージェネレーションシステムは、前記運転制御手段が、前記電力負荷が減少する場合には、前記応答状態を高い側の応答状態に設定し、前記電力負荷が増加する場合には、前記余剰電力に基づいて前記応答状態を低い側で調整することを特徴とする。

電力負荷が減少する場合に、応答状態が低い（鈍い）と、余剰電力を発生させてしまう。即ち、電力負荷が導出されてから、運転制御手段により熱電併給装置の出力が設定され、熱電併給装置の出力が追従するまでには、若干の遅延時間が生じる。この遅延時間によって、熱伝併給装置の発電電力が電力負荷を上回り、余剰電力が発生する。従って、電力負荷が減少する場合に、余剰電力の増化に基づいて応答状態を低くすると、上記遅延時間をさらに増大させ、余剰電力をより多く発生させることになる。
本特徴によれば、電力負荷が減少する場合には応答状態を最高に固定するなどのように高い側に設定する。従って、上記のように生じる余剰電力の原因となる遅延時間は最低限度に抑制され、余剰電力の発生を抑制することができる。
一方、本特徴によれば、電力負荷が増加する場合には、応答状態を上記高い側よりも低い側で調整して熱電併給装置の設定出力を電力負荷に追従させる。従って、余剰電力の発生を一層抑制することができ、省エネルギ性の向上を図ることができる。

また、本発明に係るコージェネレーションシステムは、前記余剰電力を前記貯湯槽に貯える熱に変換する電気ヒータを備えたことを特徴とする。

本特徴によれば、上記電気ヒータにより余剰電力を熱に変換して利用することができる。そして、この変換された熱は、本システムが有する、又は本システムに接続される熱負荷において消費することができるので、エネルギを有効に活用することができる。
但し、変換される熱に対して現熱負荷が少ないような場合には、変換された熱が余る熱余り状態が発生して、省エネルギ性が悪化する場合がある。
本発明によれば、このような電気ヒータを備えて余剰電力を有効に活用可能な場合においても、余剰電力を出来るだけ少なくすることができる。その結果、電気ヒータの発生熱をできるだけ少なくして、熱余り状態の発生を抑制することができ、省エネルギ性の向上を図ることができる。

また、本発明に係るコージェネレーションシステムは、前記運転制御手段が、前記余剰電力導出手段で演算又は計測される前記余剰電力の平均値又は積算値を算出し、前記平均値又は積算値に応じて前記応答状態を調整することを特徴とする。

本特徴によれば、運転制御手段が、電主出力運転において、余剰電力の導出結果に基づいて応答状態を調整する際、頻繁に変動する余剰電力の瞬時値ではなく、比較的緩慢に変動する余剰電力の平均値又は積算値に応じて設定する。従って、熱電併給装置の出力を比較的安定して変更することができ、出力の頻繁な変動による熱電併給装置の損傷及び効率低下を抑制することができる。
尚、上記平均値又は積算値としては、期間をずらしながら順次繰り返して計算する移動平均値又は移動積算値や、１時間ごとや１日ごとなどの所定の期間ごとに計算する期別平均値又は期別積算値等を用いることができる。

また、本発明に係るコージェネレーションシステムは、前記運転制御手段が、前記電主運転制御において、所定の出力調整周期ごとに、前記熱電併給装置の前記設定出力を前記電力負荷に対して追従させるものであり、前記応答状態が、前記出力調整周期において前記設定出力が変更される変更速度であることを特徴とする。

本特徴によれば、上述のごとく熱電併給装置の設定出力が変更される変更速度を余剰電力に基づいて調整する。この変更速度が遅い側に調整されると、応答状態が低い側に、即ち、追従が鈍い方向へ調整されることになる。従って、変更速度によって良好に応答状態を変更することができる。

また、本発明に係るコージェネレーションシステムは、前記運転制御手段が、前記電主運転制御において、所定の出力調整周期ごとに、前記熱電併給装置の前記設定出力を前記電力負荷に対して追従させるものであり、前記応答状態が、前記出力調整周期において前記設定出力の変更を開始するまでの待機時間であることを特徴とする。

本特徴によれば、上述のごとく熱電併給装置の設定出力が変更されるまでの待機時間を余剰電力に基づいて調整する。この待機時間が長い側に調整されると、応答状態が低い側に、即ち、追従が鈍い方向へ調整されることになる。従って、待機時間によって良好に応答状態を変更することができる。

コージェネレーションシステムの概略構成図 コージェネレーションシステムの制御ブロック図 電主運転制御における説明図 電主運転制御における説明図 電主出力運転における説明図 電主出力運転における応答状態の調整処理を示すフローチャート 応答状態を調整して電主運転制御を行う場合の一例を示す説明図 応答状態を調整して電主運転制御を行う場合の他の例を示す説明図 予測電力負荷及び予測熱負荷を示すグラフ

以下、本発明に係るコージェネレーションシステムについて図面に基づいて説明する。
このコージェネレーションシステムは、図１に示すように、燃料電池１と、貯湯ユニット４とを備えて構成されている。燃料電池１は、電力と熱とを発生する熱電併給装置である。貯湯ユニット４は、燃料電池１が発生する熱を冷却水にて回収し、その冷却水を利用して、貯湯槽２への貯湯及び熱消費端末３への熱媒供給を行うものである。また、図２に示すように、燃料電池１や貯湯ユニット４などの運転は、運転制御手段としての運転制御部５によって制御される。

前記燃料電池１は、その出力を調整可能に構成されている。その燃料電池１の電力の出力側には、系統連係用のインバータ６が設けられている。そのインバータ６は、燃料電池１の発電電力を商用電源７から受電する受電電力と同じ電圧及び同じ周波数にするように構成されている。
この商用電源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に供給されるように構成されている。

この受電電力供給ライン８には、電力負荷９の負荷電力を計測する電力負荷計測手段１１が設けられている。この電力負荷計測手段１１は、受電電力供給ライン８において商用電源７側に電流が流れる所謂逆潮流が発生するか否かをも検出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る。燃料電池１による発電電力の余剰電力は、その余剰電力を熱に換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。

この電気ヒータ１２は、複数の電気ヒータから構成されている。これら電気ヒータ１２は、冷却水循環ポンプ１５の作動により冷却水循環路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られている。各電気ヒータ１２は、インバータ６の出力側に接続された作動スイッチ１４によりそれぞれのＯＮ／ＯＦＦが切り換えられる。
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の消費電力が調整されるように構成されている。
尚、上記余剰電力は、インバータ６の出力として計測される燃料電池１の発電電力から、電力負荷計測手段１１で計測される電力負荷を差し引いた電力値として演算可能である。よって、上記電力負荷計測手段１１及びインバータ６は、余剰電力を演算又は計測するための余剰電力導出手段Ｘとしても機能する。

ちなみに、上記のように余剰電力を演算して、電気ヒータ１２の消費電力がその余剰電力以上となるように、作動スイッチ１４によりＯＮ／ＯＦＦが切り換えられる。従って、電力負荷計測手段１１で計測される電力負荷から、燃料電池１の発電電力を減じ、電気ヒータ１２の消費電力を加えた分の電力が、商用電源７から受電する受電電力により賄われることになる。
尚、この余剰電力は、例えば電気ヒータ１２へ供給される電力を余剰電力として計測可能な余剰電力計測手段を設けるなどして、別の方法で演算又は計測しても構わない。

図１に示すように、上記貯湯ユニット４は、貯湯槽２、湯水循環ポンプ１７、熱源用循環ポンプ２１、熱媒循環ポンプ２３、貯湯用熱交換器２４、熱源用熱交換器２５、熱媒加熱用熱交換器２６、補助加熱用熱交換器２９などを備えて構成されている。これらは、貯湯槽２内の湯水が通流する湯水循環路１６、熱源用湯水が通流する熱源用循環路２０、熱消費端末に循環供給される熱媒が通流する熱媒循環路２２などに接続されている。
貯湯槽２は、温度成層を形成する状態で湯水を貯湯する。湯水循環ポンプ１７は、湯水循環路１６を通して貯湯槽２内の湯水を循環させる。熱源用循環ポンプ２１は、熱源用循環路２０を通して熱源用湯水を循環させる。熱媒循環ポンプ２３は、熱媒循環路２２を通して熱媒を熱消費端末３に循環供給する。貯湯用熱交換器２４は、湯水循環路１６を通流する湯水を加熱する。熱源用熱交換器２５は、熱源用循環路２０を通流する熱源用湯水を加熱する。熱媒加熱用熱交換器２６は、熱媒循環路２２を通流する熱媒を加熱する。補助加熱用熱交換器２９は、ファン２７を作動させた状態で、バーナ２８の燃焼により貯湯槽２内から取り出した湯水及び熱源用循環路２０を通流する熱源用湯水を加熱する。

湯水循環路１６は、その一部が並列になるように分岐接続され、その接続箇所に三方弁１８が設けられている。分岐された一方側の流路には、ラジエター１９が設けられている。
そして、運転制御部５が、三方弁１８を切り換えることにより、貯湯槽２の下部から取り出した湯水がラジエター１９を通過するように循環させる状態と、貯湯槽２の下部から取り出した湯水がラジエター１９をバイパスするように循環させる状態とに切り換えられるように構成されている。

貯湯用熱交換器２４は、燃料電池１から出力される熱を回収した冷却水循環路１３の冷却水を通流させることにより、湯水循環路１６を通流する湯水を加熱するように構成されている。
熱源用熱交換器２５は、燃料電池１が発生する熱を回収した冷却水循環路１３の冷却水を通流させることにより、熱源用循環路２０を通流する熱源用湯水を加熱するように構成されている。
補助加熱手段Ｍは、ファン２７、バーナ２８、補助加熱用熱交換器２９により構成されている。
また、熱源用循環路２０には、熱源用湯水の通流を断続させる熱源用断続弁４０が設けられている。

冷却水循環路１３は、貯湯用熱交換器２４側と熱源用熱交換器２５側とに分岐されている。その分岐箇所には、貯湯用熱交換器２４側に通流させる冷却水の流量と熱源用熱交換器２５側に通流させる冷却水の流量との割合を調整する分流弁３０が設けられている。
そして、分流弁３０は、冷却水循環路１３の冷却水の全量を貯湯用熱交換器２４側に通流させたり、冷却水循環路１３の冷却水の全量を熱源用熱交換器２５側に通流させたりすることもできるように構成されている。

熱媒加熱用熱交換器２６は、熱源用熱交換器２５や補助加熱用熱交換器２９にて加熱された熱源用湯水を通流させることにより、熱媒循環路２２を通流する熱媒を加熱するように構成されている。
熱消費端末３は、床暖房装置や浴室暖房装置などの暖房端末にて構成されている。

また、貯湯ユニット４には、貯湯槽２から取り出した湯水を給湯するときの給湯熱負荷を計測する給湯負荷計測手段３１や、熱消費端末３での端末熱負荷を計測する端末熱負荷計測手段３２も設けられている。

運転制御部５は、燃料電池１の運転中には冷却水循環ポンプ１５を作動させる状態で、燃料電池１の運転及び冷却水循環ポンプ１５の作動状態を制御すると共に、湯水循環ポンプ１７、熱源用循環ポンプ２１、熱媒循環ポンプ２３の作動状態を制御する。運転制御部５は、これらの制御によって、貯湯槽２内に湯水を貯湯する貯湯運転や、熱消費端末３に熱媒を供給する熱媒供給運転を行うように構成されている。

ちなみに、給湯するときには、熱源用断続弁４０を閉弁した状態で貯湯槽２から取り出した湯水を給湯するように構成されている。即ち、貯湯槽２から取り出した湯水を補助加熱手段Ｍにて加熱したり、貯湯槽２から取り出した湯水に水を混合したりして、図外のリモコンにて設定されている給湯設定温度の湯水を給湯するように構成されている。
従って、貯湯槽２では、貯湯槽２の容量の範囲内で、燃料電池１の出力に応じて追加された湯水から、給湯用として取り出された湯水を差し引いた分の湯水が貯湯されていることになる。

先ず、運転制御部５による燃料電池１の運転の制御について説明を加える。
運転制御部５は、燃料電池１の稼動時に燃料電池１の出力を、現在要求されている現電力負荷に対して追従する電主出力に設定する電主運転制御を実行する。

詳しくは、運転制御部５は、上記電主運転制御において、１分等の比較的短い所定の出力調整周期ごとに、上記現電力負荷を求め、最小出力（例えば２５０Ｗ）から最大出力（例えば１０００Ｗ）の範囲内で、図３（ａ）に示すように連続的に、上記現電力負荷に追従する電主出力を決定し、燃料電池１の出力をその決定した電主出力に設定する。
尚、上記最小出力は、許容範囲内で０Ｗ又はそれに近い極めて小さい出力に設定しても構わない。

尚、上記現電力負荷は、電力負荷計測手段１１の計測値に基づいて求められるものである。また、その現電力負荷は、電主出力を設定する出力調整周期の前の出力調整周期における電力負荷の平均値として求められる。この時、現電力負荷を、実際の電力負荷よりも余裕分小さめに求めても構わない。この余裕分は、後述する抑制幅と等価なものとして利用することができる。

上記のような電主運転制御では、運転制御部５が、現電力負荷を計測してから燃料電池１の出力を電主出力に設定し、燃料電池１の出力が追従するまでに、若干の遅延時間が生じる。
即ち、図３（ｂ）に示すように、燃料電池１の実際の発電電力は、現電力負荷の変化状態に対して若干遅れて変化する。そして、燃料電池１の発電電力が現電力負荷の急激な減少に対して敏感に追従することができずに、燃料電池１の発電電力が現電力負荷を上回ると、余剰電力が発生する。その余剰電力は、上述した電気ヒータ１２に供給される。
また、図４に示すように、現電力負荷が増加傾向にあって、短い周期で負荷変動を生じている場合にも、燃料電池１の発電電力が部分的に現電力負荷を上回り、余剰電力が発生する。

運転制御部５は、上記電主運転制御において、この余剰電力を抑制するべく、以下に示す電主出力運転を実行するように構成されている。以下、この電主出力運転について説明を加える。

（電主出力運転）
運転制御部５は、電主出力運転において、燃料電池１の出力を、現電力負荷よりも所定の量又は割合で示される抑制幅分小さい電主出力に設定するように構成されている。
即ち、図５（ａ）に示すように、電主出力運転では、最小出力から最大出力の範囲内で、現電力負荷から抑制幅分小さい電主出力を決定し、燃料電池１の出力をその決定した電主出力に設定する。
即ち、現電力負荷から抑制幅分小さい出力が、最小出力から最大出力の範囲内である場合には、その出力が電主出力となる。現電力負荷から抑制幅分小さい出力が、最大出力よりも大きい場合には、最大出力を電主出力として決定する。現電力負荷から抑制幅分小さい出力が、最小出力よりも小さい場合には、最小出力を電主出力として決定する。

運転制御部５が、このような電主出力運転を実行することで、図５（ｂ）に示すように、燃料電池１の実際の発電電力が現電力負荷の変化状態に対して若干の遅延時間をもって変化した場合でも、余剰電力を抑制することができる。

上記電主出力は、電主出力運転において、最小出力から最大出力の範囲内で現電力負荷に追従するように設定される電主出力に対して、上記抑制幅分小さい出力として設定することができる。また、この場合には、電主出力が最小出力未満とならないように、上記電主出力から上記抑制幅分小さい出力が最小出力よりも小さい場合には、最小出力を電主出力に決定する。
尚、電主出力運転において、このような抑制幅を必ずしも設定する必要はない。

一方、上記抑制幅を利用して電主出力運転を行っても、例えば、図４に示したような余剰電力は充分に抑制されない可能性がある。そこで、運転制御部５は、この電主出力運転において、燃料電池１の設定出力を現電力負荷に対して追従させる応答状態を、剰電力導出手段Ｘで演算又は計測される余剰電力に基づいて調整するように構成されている。

即ち、図６に示すように、運転制御部５は、上記電主出力運転において、先ず、余剰電力導出手段Ｘにより余剰電力Ｅｏを演算又は計測する（ステップ＃１）。そして、その現在の余剰電力Ｅｏと過去一定期間の余剰電力Ｅｏとから、余剰電力Ｅｏの移動平均値Ａｖｅ（Ｅｏ）を演算する（ステップ＃２）。

ここで、運転制御部５は、電力負荷が増加しているか否かを判定し（ステップ＃３）、電力負荷が増加していなければ、応答状態Ｒを例えば、最高の応答状態Ｒｍａｘに設定する（ステップ＃７）。つまり、運転制御部５は、電力負荷が減少する場合には応答状態Ｒを最高の応答状態に固定して応答することにより燃料電池１の設定出力を電力負荷に追従させる。ここで、最高の応答状態Ｒとは、燃料電池１の設定出力を燃料電池１の特性の範囲内で最速に電力負荷に追従させる制御をいう。
尚、応答状態Ｒｍａｘは、高い側の応答状態の一例である。従って、Ｒｍａｘ以外の高い側に設定するようにしてもよい。

電力負荷が減少する場合に、燃料電池１の設定出力の追従が鈍いと、電力負荷に対して燃料電池１による発電電力が大きくなり、余剰電力を発生させてしまう。しかし、上記のように、電力負荷が減少する場合（増加していない場合）に応答状態Ｒを最高の応答状態Ｒｍａｘに固定して応答すると、余剰電力の発生を抑制することができる。

ステップ＃３において電力負荷が増加すると判定された場合には、運転制御部５は、下記に説明するように、応答状態Ｒを調整して燃料電池１の設定出力を電力負荷に追従させる。具体的には、運転制御部５は、余剰電力（瞬時値、平均値、上下限値などを含む）を変数ｘとする関数Ｆ（下記式（１）参照。）に基づいて、応答状態Ｒを決定することにより、応答状態Ｒを調整する。

Ｒ ＝ Ｆ（ｘ） ・・・（１）

以下、この応答状態Ｒを関数Ｆ（ｘ）に基づいて決定する手順について説明する。
まず、余剰電力Ｅｏの移動平均値Ａｖｅ（Ｅｏ）が上限値ｅ１（例えば５０Ｗ）よりも大きいか否かを判定する（ステップ＃４）。そして、余剰電力Ｅｏの移動平均値Ａｖｅ（Ｅｏ）が上限値ｅ１（例えば５０Ｗ）以下である場合には、下記式（２）、（３）に示すように、式（１）の変数ｘに余剰電力Ｅｏの移動平均値Ａｖｅ（Ｅｏ）を代入する。そして、代入後の関数Ｆ（ｘ）に基づいて応答状態Ｒを決定する（ステップ＃６）。

ｘ ← Ａｖｅ（Ｅｏ） ・・・（２）
Ｒ ＝ Ｆ（Ａｖｅ（Ｅｏ）） ・・・（３）

一方、上記余剰電力Ｅｏの移動平均値Ａｖｅ（Ｅｏ）が上限値ｅ１（例えば５０Ｗ）よりも大きい場合には、燃料電池１による発電を必要以上に抑制する可能性が生じる。これは、商用電源７からの受電電力の過剰な増加を招き、全体としての省エネルギ性を悪化させる可能性がある。従って、この省エネルギ性の悪化を抑制するべく、関数Ｆ（ｘ）への入力値を上限値ｅ１に設定する（ステップ＃５）。

ここで、応答状態Ｒについて説明する。
図７は、図４に示した現電力負荷と、燃料電池１の実際の発電電力との関係を示すグラフを更に拡大して示したものである。図中Ｔは、出力調整周期を示すものである。
図７（ａ）は、応答状態Ｒが最高である場合、即ち、最も敏感に応答する場合の応答状態Ｒを示している。出力調整周期Ｔにおいて、最高の応答速度で（最速で）燃料電池１の発電出力が上昇し、余剰電力が発生している。

図７（ｂ）は、図７（ａ）に比べて応答状態Ｒが低い側（鈍い側）に調整された場合を示している。図に示すように、出力調整周期Ｔにおいて設定出力が変更される変更速度が低い側に調整されている。つまり、この場合の応答状態Ｒは、設定出力の変更速度（傾き）に相当する。応答状態Ｒがこのように調整されると、図７（ａ）に示した応答状態Ｒが最高である場合に比べて、余剰電力の発生が抑制されている。

図７（ｃ）は、応答状態Ｒが低い側（鈍い側）に調整された場合の別形態を示している。図に示すように、出力調整周期Ｔにおいて燃料電池１の設定出力の変更を開始するまでに待機時間ＷＴが設けられている。つまり、この場合の応答状態Ｒは、上記待機時間ＷＴに相当する。待機時間ＷＴがゼロに調整されると、最高の応答状態Ｒと等価である。応答状態Ｒがこのように調整されると、図７（ａ）に示した応答状態Ｒが最高である場合に比べて、余剰電力の発生が抑制されている。
また、待機時間ＷＴは、図８に示すように、出力調整周期Ｔの整数倍の時間としてもよい。図８では、出力調整周期Ｔの１倍の例を示している。
また、変更速度と待機時間とを組み合わせて応答状態Ｒを調整してもよい。

このように、電主出力運転において、応答状態Ｒを、余剰電力導出手段Ｘで演算又は計測される余剰電力の移動平均値Ａｖｅ（Ｅｏ）に基づいて決定することで、燃料電池１の発電電力を出来るだけ大きくしながら、電気ヒータ１２により熱に変換される余剰電力を出来るだけ少なくすることができる。
特に、電気ヒータ１２により余剰電力が熱に変換されも、その熱が有効に活用されない熱余り状態において、余剰電力が抑制されると効果的である。
熱余り状態とは、例えば、貯湯槽２内に貯湯されている湯水が満杯で、ラジエター１９を作動させる状態である。また、貯湯槽２内に貯湯されている湯水が満杯で、熱媒供給運転中に燃料電池１から出力される熱が熱消費端末３で要求されている端末熱負荷や給湯負荷よりも大きく、ラジエター１９を作動させる状態である。

尚、上記応答状態Ｒは、上記移動平均値Ａｖｅ（Ｅｏ）の関数ではなく、例えば、瞬時値である余剰電力Ｅｏの関数として設定しても構わない。
また、このステップ＃４〜ステップ＃６を省略して、応答状態Ｒを常に移動平均値Ａｖｅ（Ｅｏ）や、瞬時値である余剰電力Ｅｏに設定するように構成しても構わない。また、上記移動平均値の代わりに、１日ごとなどの所定の期間ごとの余剰電力の平均値として計算される期別平均値に応じて応答状態Ｒを調整しても構わない。また、上記移動平均値の変わりに、過去一定期間の余剰電力の移動積算値や１日ごとなどの所定の期間ごとの余剰電力の積算値として計算される期別積算値に応じて応答状態Ｒを調整しても構わない。

更に、運転制御部５は、上記電主出力運転を実行したと仮定した場合に、後述する熱不足状態が予測されない形態で応答状態Ｒの上限値ｅ１を設定することができる。

尚、熱不足状態とは、例えば、貯湯槽２内に貯湯されている湯水が空であり、補助加熱手段Ｍを作動させる状態である。また、熱媒供給運転中に燃料電池１から出力される熱が熱消費端末３で要求されている端末熱負荷や給湯負荷よりも小さくて、貯湯槽２内に貯湯されている湯水が空であり、補助加熱手段Ｍを作動させる状態である。
例えば図９に示すように、１日等の判定対象期間における予測電力負荷と予測熱負荷を求め、その予測電力負荷に対して電主出力運転を実行したと仮定した場合に燃料電池１の発生熱が予測熱負荷に対して不足する熱不足状態が発生するか否かを判断することができる。

即ち、電主出力を変化させながら、上記のような熱不足状態が発生するか否かの判断を行うことにより、電主出力運転を実行したと仮定した場合に熱不足が予測されない電主出力範囲を求めることができる。そして、その電主出力範囲の最下限の現電力負荷に対する応答状態Ｒに基づいて上限値ｅ１を決定する。
応答状態Ｒがその上限値ｅ１以下において変動するように制限することで、電主出力運転を実行することによる熱不足状態の発生を抑制することができる。その結果、省エネルギ性の悪化を回避することができる。
尚、熱不足状態の発生を抑制する必要がない場合などにおいては、このような制限を省略しても構わない。

尚、時系列的な電力負荷、及び、時系列的な熱負荷は、運転制御部５により以下に示すように管理される。
即ち、運転制御部５は、例えば、熱負荷を給湯熱負荷と端末熱負荷として、単位時間あたりの実電力負荷、実給湯熱負荷、及び、実端末熱負荷のそれぞれを計測する。これらは、電力負荷計測手段１１及びインバータ６の出力値、給湯熱負荷計測手段３１、及び、端末熱負荷計測手段３２にて計測される。
運転制御部５は、電力負荷計測手段１１及びインバータ６の出力値、給湯熱負荷計測手段３１、及び、端末熱負荷計測手段３２にて計測された値を記憶する。運転制御部５は、これらを記憶することにより、時系列的な電力負荷及び時系列的な熱負荷を１時間等の単位時間毎に管理するように構成されている。
また、運転制御部５は、実際の使用状況に応じて時系列的な電力負荷及び時系列的な熱負荷を更新する場合には、新たに計測された値と、既に記憶されている値とを所定の割合で足し合わせる。そして、その足し合わせた値を記憶するように構成されている。

上記実施形態では、貯湯槽２に加えて、熱消費端末３を設けて、熱負荷を給湯熱負荷と端末熱負荷としたコージェネレーションシステムを例示した。しかし、熱消費端末３を設けずに、給湯熱負荷を熱負荷とするコージェネレーションシステムとしてもよい。

上記実施形態では、電気ヒータ１２が燃料電池１の冷却水を加熱するように構成されているが、電気ヒータ１２にて貯湯槽２内の湯水を加熱するように構成して実施することも可能である。

上記実施形態では、運転制御手段５は、通常時に実行される電主出力運転において、燃料電池１の出力の現電力負荷に対する応答状態を余剰電力導出手段Ｘで演算又は計測される余剰電力に基づいて調整するように構成した。しかし、別に、一次的に実行される電主出力運転において、応答状態を余剰電力に基づいて調整しても構わない。例えば、熱余り状態の発生が予測される時期又は熱余り状態が発生している時期である熱余り対処時期に実行される電主出力運転において、応答状態を調整しても構わない。つまり、応答状態を余剰電力に基づいて調整することで、余剰電力の減少により電気ヒータ１２による発生熱を抑制して、熱余り状態を回避するように構成しても構わない。

上記実施形態では、熱電併給装置として、燃料電池１を例示した。しかし、熱電併給装置として、例えば、ガスエンジンなどの内燃機関と発電装置とを組み合わせたものや、スターリングエンジンなどの外燃機関と発電装置とを組み合わせたものなどを適応することも可能である。

上記実施形態では、余剰電力を熱に変換する電気ヒータ１２を備え、その余剰電力により発生した熱を利用するように構成した。しかし、余剰電力を別の用途で利用するように構成しても構わず、例えば、余剰電力を商用電源７側に逆潮流させる形態で外部に売却するように構成しても構わない。

本発明は、例えば燃料電池を熱電併給装置として備え、熱電併給装置の稼動時に前記熱電併給装置の設定出力を電力負荷に追従させる電主運転制御を実行するにあたり、その設定出力を前記電力負荷に追従させる応答状態を適切に調整して、省エネルギ性の向上を図るためのコージェネレーションシステムに適用可能である。

１：燃料電池（熱電併給装置）
２：貯湯槽
５：運転制御部（運転制御手段）
６：インバータ（余剰電力導出手段）
１１：電力負荷計測手段（余剰電力導出手段）
１２：電気ヒータ
Ｘ：余剰電力導出手段

Claims (5)

1. 熱と電力とを併せて発生する熱電併給装置と、前記熱電併給装置で発生された熱を回収して湯水として貯える貯湯槽と、前記熱電併給装置の稼動時に前記熱電併給装置の設定出力を電力負荷に追従させる電主運転制御を実行する運転制御手段とが設けられているコージェネレーションシステムであって、
   前記熱電併給装置の発電電力の電力負荷に対する余剰分である余剰電力を演算又は計測する余剰電力導出手段を備え、
   前記運転制御手段は、前記電主運転制御において、前記余剰電力導出手段により演算又は計測される前記余剰電力に基づいて、前記電力負荷に対する前記設定出力の応答状態を調整するものであり、かつ、
   前記電主運転制御において、所定の出力調整周期ごとに、前記熱電併給装置の前記設定出力を前記電力負荷に対して追従させるものであり、
   前記応答状態は、前記出力調整周期において前記設定出力の変更を開始するまでの待機時間であるコージェネレーションシステム。
2. 前記運転制御手段は、前記余剰電力が大きいほど、前記応答状態を追従が鈍くなる側である低い側に調整する請求項１に記載のコージェネレーションシステム。
3. 前記運転制御手段は、前記電力負荷が減少する場合には、前記応答状態を高い側の応答状態に設定し、前記電力負荷が増加する場合には、前記余剰電力に基づいて前記応答状態を低い側で調整する請求項１又は２に記載のコージェネレーションシステム。
4. 前記余剰電力を前記貯湯槽に貯える熱に変換する電気ヒータを備えた請求項１〜３の何れか一項に記載のコージェネレーションシステム。
5. 前記運転制御手段は、前記余剰電力導出手段で演算又は計測される前記余剰電力の平均値又は積算値を算出し、前記平均値又は積算値に応じて前記応答状態を調整する請求項１〜４の何れか一項に記載のコージェネレーションシステム。

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