JP2017187191A - 熱電併給システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】熱電併給システムが有する制御装置Cは、熱電併給装置10の出力電力が過剰になる電力過剰条件が満たされると判定したとき、排熱回収装置20が有する複数の機器のうち、停止させておくべき機器を動作させる目的外運転を行わせ、及び、目的外運転が行われたときの熱電併給装置10の出力電力に余剰が発生するとき、余剰電力を電気ヒーター装置22で消費させ、電力過剰条件が満たされないと判定したとき、排熱回収装置の目的外運転を行わせない。
【選択図】図1
Description
前記制御装置は、前記熱電併給装置の出力電力が過剰になる電力過剰条件が満たされると判定したとき、前記排熱回収装置が有する複数の機器のうち、停止させておくべき機器を動作させる目的外運転を行わせ、及び、前記目的外運転が行われたときの前記熱電併給装置の出力電力に余剰が発生するとき、余剰電力を前記電気ヒーター装置で消費させ、前記電力過剰条件が満たされないと判定したとき、前記目的外運転を行わせない点にある。
このように、制御装置は、熱電併給装置の出力電力の少なくとも一部を目的外運転によって消費させることで、熱電併給装置の出力電力の余剰分を消費するため電気ヒーター装置の消費電力、即ち、電気ヒーター装置での発熱量を少なくすることができる。その結果、蓄熱装置に蓄える熱量が増え過ぎることを回避できる。
従って、蓄熱装置の満蓄の発生を抑制できる熱電併給システムを提供できる。
図1は、熱電併給システムの構成を示す図である。図2は、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、熱と電気とを併せて発生させる発電ユニット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。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の少なくとも何れか一方を熱負荷装置24に供給する。
本実施形態において、発電ユニット10が有する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と酸素が供給される空気極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。
排熱回収ユニット20は、熱を蓄える貯湯タンク(蓄熱装置)21を有し、発電ユニット10で発生された熱及び貯湯タンク21に蓄熱されている熱の少なくとも何れか一方を後述する熱負荷装置24に供給する。具体的には、制御装置Cは、発電ユニット10の燃料電池部12を運転しているとき、排熱回収ユニットにおいて、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。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。
貯湯タンク21と発電ユニット10との間には、湯水が循環する排熱回収路L1が設けられている。この排熱回収路L1では、例えば、貯湯タンク21に貯えられている比較的低温の湯水が発電ユニット10に流入し、発電ユニット10から排出される熱によって加熱され、加熱された比較的高温の湯水が貯湯タンク21に帰還するという蓄熱サイクルが成立している。また、発電ユニット10から貯湯タンク21へ向かう排熱回収路L1の途中に余剰電力消費用ヒーター22を設けている。その結果、排熱回収路L1を循環する湯水は、余剰電力消費用ヒーター22で発生した熱も、貯湯タンク21において回収可能に構成されている。以上のように、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で発生された熱は、貯湯タンク21に蓄えられる。
熱媒循環路L6には、貯湯タンク21の上部から熱媒取出路L7を介して取り出された高温の湯水を三方弁V3を介して供給できる。熱媒循環路L6は、湯水が風呂追焚用熱交換器31を通って循環する第1熱媒循環路L6a、及び、湯水が暖房用熱交換器30を通って循環する第2熱媒循環路L6b、及び、第1熱媒循環路L6aと第2熱媒循環路L6bとの共通部分L6cで構成される。熱媒循環路L6の共通部分L6cから、第1熱媒循環路L6a及び第2熱媒循環路L6bへの分岐箇所には、三方弁V4が設けられている。熱媒循環路L6の共通部分L6cには、熱媒循環路L6において湯水を循環させるための熱媒循環ポンプP1と、湯水を加熱するための熱源機40とが設けられている。熱媒循環ポンプP1は、燃料を燃焼して得られる燃焼熱により循環熱媒(湯水)を加熱する熱源機40を経由するようにその循環熱媒を循環させるための熱媒循環路L6での循環熱媒の単位時間当たりの流動量を調節する。従って、第1熱媒循環路L6a及び第2熱媒循環路L6bには、熱源機40で加熱した後の高温の湯水を供給できる。本実施形態において、熱源機40の燃焼器34には燃料としてのガスが供給され、送風ファンFによって供給される空気と混合された上で燃焼される。そして、その燃焼熱によって熱媒循環路L6を通流する湯水が加熱される。このように、送風ファンFは、燃料を燃焼して燃焼熱を発生する熱源機40において、燃料の燃焼に用いられる空気の単位時間当たりの供給量を調節する。
給水路L2は、貯湯タンク21に水を補充するための水路である。給湯路L3は、熱負荷装置24の一つである給湯部37に熱(湯水)を供給するための水路である。この給湯路L3は、熱媒循環路L6の途中から分岐している。具体的には、給湯路L3は、熱源機40よりも下流側であり、三方弁V4よりも上流側の、熱媒循環路L6の途中から分岐している。従って、給湯路L3には、熱源機40で加熱した後の高温の湯水を供給できる。また、給湯路L3の途中には温水用比例弁V1が設けられ、且つ、温水用比例弁V1が設けられている箇所よりも下流側の給湯路L3には、給水路L2が冷水用比例弁V2を介して連結されているので、給湯路L3を流れる温水の流量と、給水路L2から給湯路L3へ流入する冷水の流量とを調節した上で混合させることができる。その結果、温水用比例弁V1及び冷水用比例弁V2の開度を調節することで、給湯部37に供給される湯水の温度を調節できる。
暖房用熱媒路L5は、熱負荷装置24の一つである暖房機器33に熱を供給するための熱媒路である。具体的には、上記暖房用熱交換器30と暖房機器33との間で熱媒が循環可能なように、暖房用熱媒路L5が設けられている。暖房用熱媒路L5の途中には、暖房用熱媒路L5において熱媒を循環させるための暖房用熱媒ポンプP2が設けられている。つまり、暖房用熱媒ポンプP2は、暖房機器33に熱媒を循環させるための暖房用熱媒路L5での熱媒の単位時間当たりの流動量を調節する。このように、暖房用熱媒路L5を流れる熱媒は、暖房用熱交換器30において第2熱媒循環路L6bを流れる高温の湯水と熱交換して昇温された上で暖房機器33に流入することで、暖房機器33での熱消費が可能となっている。
風呂追焚用熱媒路L4は、熱負荷装置24の一つである風呂追焚部36に熱を供給するための熱媒路である。具体的には、風呂追焚用熱交換器31と浴槽35との間で湯水が循環可能なように、風呂追焚用熱媒路L4が設けられている。風呂追焚用熱媒路L4の途中には、風呂追焚用熱媒路L4において湯水を循環させるための風呂追焚用循環ポンプP3が設けられている。風呂追焚用循環ポンプP3は、風呂追焚部36に湯水を循環させるための風呂追焚用熱媒路L4での湯水の単位時間当たりの流動量を調節する。つまり、浴槽35に貯えられている湯水及び風呂追焚用熱媒路L4中に存在している湯水は、風呂追焚用熱交換器31において、第1熱媒循環路L6aを流れる高温の湯水と熱交換して昇温された上で浴槽35へ帰還することで、浴槽35に貯えられている湯水を昇温できる(即ち、風呂追焚を実施できる)。
本実施形態で説明する目的外運転は、排熱回収ユニット20が有する、電力を消費して動作する複数の機器(熱媒循環ポンプP1、暖房用熱媒ポンプP2、風呂追焚用循環ポンプP3、凍結予防用ヒーター32、ラジエータ38、送風ファンF)のうち、停止させるべき時期にある機器を動作させることである。この目的外運転が行われることで、排熱回収ユニット20の消費電力を上昇させることができる。尚、制御装置Cが、目的外運転によって排熱回収ユニット20の消費電力をどれだけ上昇させるのかは適宜設定可能である。また、制御装置Cは、複数の機器(熱媒循環ポンプP1、暖房用熱媒ポンプP2、風呂追焚用循環ポンプP3、凍結予防用ヒーター32、ラジエータ38、送風ファンF)のうちの二以上の機器の目的外運転を並行して行ってもよい。加えて、目的外運転が行われたときの発電ユニット10の出力電力に未だ余剰が発生するとき、制御装置Cは、その余剰電力を余剰電力消費用ヒーター22で消費させればよい。
本実施形態では、電力過剰条件は、上記目的外運転が行われないときの発電ユニット10の出力電力に余剰が発生することである。つまり、制御装置Cは、上記目的外運転が行われないときの発電ユニット10の出力電力に余剰が発生するとき、電力過剰条件が満たされると判定し、上記目的外運転が行われないときの発電ユニット10の出力電力に余剰が発生しないとき、電力過剰条件が満たされないと判定する。そして、制御装置Cは、電力過剰条件が満たされると判定したとき上記目的外運転を行わせ、及び、目的外運転が行われたときの発電ユニット10の出力電力に未だ余剰が発生するとき、その余剰電力を余剰電力消費用ヒーター22で消費させる。これに対して、制御装置Cは、電力過剰条件が満たされないと判定したとき上記目的外運転を行わせない。
<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。
例えば、上記実施形態では、熱電併給装置としての発電ユニット10が燃料電池部12を備える例を説明したが、発電ユニット10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。
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。
3 一般電力負荷装置(電力消費装置)
9 自立負荷装置(電力消費装置)
10 発電ユニット(熱電併給装置)
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)
32 凍結予防用ヒーター(機器)
33 暖房機器(熱負荷装置)
36 風呂追焚部(熱負荷装置)
38 ラジエータ(機器)
40 熱源機
C 制御装置
F 送風ファン(機器)
L4 風呂追焚用熱媒路
L5 暖房用熱媒路
L6 熱媒循環路
P1 熱媒循環ポンプ(機器)
P2 暖房用熱媒ポンプ(機器)
P3 風呂追焚用循環ポンプ(機器)
Claims (8)
- 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の少なくとも何れか一方を熱負荷装置に供給し、
前記制御装置は、
前記熱電併給装置を運転しているとき、前記排熱回収装置において、前記熱電併給装置で発生された熱の回収と、前記蓄熱装置への蓄熱とを行わせ、
前記熱電併給装置の電力系統への連系運転時には電力消費装置及び前記排熱回収装置に対して前記電力系統及び前記熱電併給装置の少なくとも何れか一方から電力を供給し、前記熱電併給装置の自立運転時には前記電力消費装置及び前記排熱回収装置に対して前記熱電併給装置から電力を供給す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出力電力が過剰になる電力過剰条件が満たされると判定したとき、前記排熱回収装置が有する複数の機器のうち、停止させておくべき機器を動作させる目的外運転を行わせ、及び、前記目的外運転が行われたときの前記熱電併給装置の出力電力に余剰が発生するとき、余剰電力を前記電気ヒーター装置で消費させ、
前記電力過剰条件が満たされないと判定したとき、前記目的外運転を行わせない熱電併給システム。 - 前記制御装置は、
前記目的外運転が行われないときの前記熱電併給装置の出力電力に余剰が発生するとき、前記電力過剰条件が満たされると判定し、
前記目的外運転が行われないときの前記熱電併給装置の出力電力に余剰が発生しないとき、前記電力過剰条件が満たされないと判定する請求項1に記載の熱電併給システム。 - 前記排熱回収装置が有する、電力を消費して動作する複数の機器の一つとして、前記熱負荷装置としての暖房機器に暖房用熱媒を循環させるための暖房用熱媒路での前記暖房用熱媒の流動量を調節する暖房用熱媒ポンプを有し、
前記制御装置は、前記暖房用熱媒ポンプを停止させるべき時期に前記暖房用熱媒ポンプを動作させることで前記目的外運転を行わせる請求項1又は2に記載の熱電併給システム。 - 前記排熱回収装置が有する、電力を消費して動作する複数の機器の一つとして、前記熱負荷装置としての風呂追焚部に湯水を循環させるための風呂追焚用熱媒路での前記湯水の流動量を調節する風呂追焚用循環ポンプを有し、
前記制御装置は、前記風呂追焚用循環ポンプを停止させて前記風呂追焚部での風呂追焚きを停止させるべき時期に前記風呂追焚用循環ポンプを動作させることで前記目的外運転を行わせる請求項1〜3の何れか一項に記載の熱電併給システム。 - 前記排熱回収装置が有する、電力を消費して動作する複数の機器の一つとして、燃料を燃焼して得られる燃焼熱により循環熱媒を加熱する熱源機を経由するように当該循環熱媒を循環させるための熱媒循環路での前記循環熱媒の流動量を調節する熱媒循環ポンプを有し、
前記制御装置は、前記熱媒循環ポンプを停止させて前記循環熱媒の循環を停止させるべき時期に前記熱媒循環ポンプを動作させることで前記目的外運転を行わせる請求項1〜4の何れか一項に記載の熱電併給システム。 - 前記排熱回収装置が有する、電力を消費して動作する複数の機器の一つとして、前記蓄熱装置に蓄えられている熱の外気への放熱量を調節するラジエータを有し、
前記制御装置は、前記ラジエータによる放熱を停止させるべき時期に前記ラジエータを動作させることで前記目的外運転を行わせる請求項1〜5の何れか一項に記載の熱電併給システム。 - 前記排熱回収装置が有する、電力を消費して動作する複数の機器の一つとして、燃料を燃焼して燃焼熱を発生する熱源機において、燃料の燃焼に用いられる空気の供給量を調節する送風ファンを有し、
前記制御装置は、前記送風ファンを停止させるべき時期に前記送風ファンを動作させることで前記目的外運転を行わせる請求項1〜6の何れか一項に記載の熱電併給システム。 - 前記排熱回収装置が有する、電力を消費して動作する複数の機器の一つとして、発生するジュール熱により凍結を予防する凍結予防用ヒーターを有し、
前記制御装置は、前記凍結予防用ヒーターを停止させるべき時期に前記凍結予防用ヒーターを動作させることで前記目的外運転を行わせる請求項1〜7の何れか一項に記載の熱電併給システム。
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