JP4535694B2 - コージェネレーション・システムの出力制御装置及び出力制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コージェネレーション装置が出力する電力及び熱を電力負荷、暖房負荷、及び給湯負荷で消費するコージェネレーション・システムにおいて、省エネ性を高めるようにコージェネレーション装置の出力制御を行う出力制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、クリーンなエネルギーとしてコージェネレーション・システムが注目されてきている。コージェネレーション・システムとは、電気と同時に有効に利用可能な熱を発生し、エネルギーを多段的に活用する省エネルギー・システムをいう。
【０００３】
現在のところ、一般家庭用のコージェネレーション・システムとしては、ガスエンジン・コージェネレーション・システムや燃料電池コージェネレーション・システム等が開発されており、一部は既に実用化されている。ガスエンジン・コージェネレーション・システムとは、コージェネレーション装置であるガスエンジン発電ユニットと排熱利用給湯暖房ユニットとから構成されたコージェネレーション・システムであり、電気を発電するガスエンジンから排出される排熱を排熱利用給湯暖房ユニットの主要な熱源とするものである。燃料電池コージェネレーション・システムとは、各家庭に供給されている都市ガスから燃料処理装置で水素を作り、この水素を使って、コージェネレーション装置である燃料電池で発電するとともに、発電等の際に発生する排熱を回収し、給湯や暖房に使用するものである。現在、燃料電池としては個体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）が開発されており、９０℃以下の低温で発電することが可能である。
【０００４】
このようなコージェネレーション・システムにおいては、いかにしてシステム全体の省エネルギー性を高めるかが重要な課題である。コージェネレーション装置は、エネルギーを電力と熱という形態で出力する。そして、この電力と熱の出力量は、コージェネレーション装置で消費されるエネルギー量により定まる。従って、コージェネレーション装置の発電量と出力熱量とを、それぞれ独立に調節することはできない。そのため、ある時間帯における電力需要と熱需要とのバランスが、コージェネレーション装置の発電量と出力熱量とのバランスに一致しない場合、余分な熱量は蓄熱装置に蓄熱し、後に熱需要が生じたときに蓄熱装置の熱を消費することにより調整がされる。しかしながら、蓄熱装置の蓄熱量が過剰となると、その熱量は有効に利用されないこととなる。そこで、コージェネレーション・システムの省エネルギー性を最大とするためのコージェネレーション装置の出力制御技術が必要とされる。
【０００５】
従来のコージェネレーション装置の出力制御技術としては、例えば、特許文献１に記載のものが知られている。特許文献１に記載のコージェネレーション・システムは、コージェネレーション装置、配電手段、配熱手段、計測手段、制御装置、記憶手段を有する。コージェネレーション装置は、電力と熱とを出力する。そして、この電力は配電手段が商用電源からの受電電力と合わせて施設に供給する。また、熱は、配熱手段が蓄熱した後に前記施設に供給する。計測手段は、施設に供給された電力及び熱を計測し、過去の施設の電力負荷実績及び熱負荷実績としてハードディスク等の記憶手段に記憶する。
【０００６】
このような、コージェネレーション・システムにおいて、まず、記憶手段に記憶された、過去の施設の電力負荷実績及び熱負荷実績から、運転計画の計画対象時期における施設の予測電力負荷及び予測熱負荷を予測する。次に、予測電力負荷に対してコージェネレーション装置の電主運転を行った場合の前記コージェネレーション装置の熱出力を導出する。ここで、「電主運転」とは、予測電力負荷において電力負荷がコージェネレーションの定格運転時の電力出力よりも充分大きい場合には定格運転を行い、それ以外の場合には常に電力出力が電力負荷よりも一定量小さくなる電力追従運転を行う運転方法をいう。
【０００７】
そして、予測熱負荷の計画対象時期における積算値である予測積算熱負荷と、熱出力の運転時間帯における積算値である積算熱出力とを比較して、計画対象時期においてコージェネレーション装置の電主運転を行う運転時間帯を決定する。すなわち、計画対象時期において、予測積算熱負荷と積算熱出力とが同等となるように、運転制御手段がコージェネレーション装置の電主運転を行う運転時間帯を決定する。
【０００８】
このようにしてコージェネレーション装置を電主運転することで、常に一定以上の電力を電力供給業者から受電するように電力出力が制御され、電力系統への逆潮流が防止される。それと同時に、コージェネレーション装置から出力された熱をできるだけ無駄無く施設で消費することができ、省エネルギー性や経済性を向上させることができる。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００３−６１２４５号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のコージェネレーション・システムの出力制御技術においては、電主運転を行う運転時間帯を決定するのみである。すなわち、決定された時間帯以外の時間帯においてはコージェネレーション装置を停止させ、商用電源からの給電により負荷消費電力を賄うとともに、一般の暖房機器や給湯機器により消費熱量を賄う。従って、電主運転を行う運転時間帯以外の時間帯においてはコージェネレーション・システムが有効に活用されていない。そのため、省エネルギー性を高めるためには、更に改善の余地が大きい。
【００１１】
また、実際には、コージェネレーション装置から出力される熱量は、一旦蓄熱された後に給湯負荷等に供給される。従って、この蓄熱中において放熱により熱の一部は失われ、実際に使用可能な熱量はコージェネレーション装置から出力される熱量よりも小さくなる。しかしながら、上記従来の出力制御技術においては、蓄熱中における放熱による熱損失の影響が考慮されていない。従って、コージェネレーション装置の出力制御を充分に最適化しているものとはいえない。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、総ての時間帯においてコージェネレーション・システムを使用して最大限の省エネルギー性を達成することを可能とするコージェネレーション・システムの出力制御技術を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るコージェネレーション・システムの出力制御装置の第１の構成は、発電により電力を出力するとともに発電に伴い生じる熱量を出力するコージェネレーション装置と、前記コージェネレーション装置が出力する電力を消費する電力負荷と、前記コージェネレーション装置が出力する熱量を蓄熱する蓄熱装置と、前記コージェネレーション装置が出力する排熱又は前記蓄熱装置に蓄熱された熱量を消費する給湯負荷と、を備えたコージェネレーション・システムにおいて、前記コージェネレーション装置の出力制御を行う出力制御装置であって、
発電計画策定期間内の各時間帯における前記電力負荷の消費電力量及び前記給湯負荷の消費熱量の予測値を記憶する負荷記憶手段と、
前記負荷記憶手段に記憶された前記電力負荷の消費電力量の予測値に基づき、前記コージェネレーション装置の運転方法であって、電力負荷の予測消費電力が前記コージェネレーション装置の最大発電量以下の場合には電力負荷の予測消費電力で発電を行い、電力負荷の予測消費電力が前記コージェネレーション装置の最大発電量を超える場合には前記コージェネレーション装置の最大発電量で発電を行う運転方法である電主運転により前記コージェネレーション装置を運転した場合の各時間帯における発電量である仮発電量を算出する仮発電量算出手段と、
前記発電計画策定期間内の各時間帯において前記コージェネレーション装置により前記仮発電量を発電した場合において、前記コージェネレーション装置が出力する熱量の積算値を算出する熱出力算出手段と、
前記発電計画策定期間内における前記給湯負荷の予測消費熱量の総てを賄うために供給することが必要とされる熱量である実質消費熱量を算出する消費熱量算出手段と、
前記実質消費熱量を前記熱出力算出手段が算出する熱量の積算値で除した値である熱出力余剰係数を算出する熱出力余剰係数算出手段と、
前記発電計画策定期間内の各時間帯における仮発電量に対して前記熱出力余剰係数を掛けることにより、各時間帯における前記コージェネレーション装置の発電量を算出する発電計画決定手段と、前記発電計画決定手段が算出した各時間帯における前記コージェネレーション装置の発電量が格納される運転計画記憶手段と、前記運転計画記憶手段に格納された各時間帯における前記コージェネレーション装置の発電量に基づいて前記コージェネレーション装置の発電出力の制御を行うシステム制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１４】
この構成により、発電計画策定期間内に給湯負荷で消費されることが予測される熱量の値と、同じ期間内にコージェネレーション装置が出力する熱量の値とが等しくなるように、コージェネレーション装置の発電量が決定される。そのため、発電計画策定期間が終了した時点において、蓄熱装置に蓄熱される余剰熱量を極力少なくすることができる。従って、コージェネレーション・システムの省エネルギー性を高めることが可能となる。
【００１５】
ここで、「蓄熱装置」としては、成層式貯湯槽、相変化を利用した潜熱式蓄熱槽等を使用することができる。
【００１６】
「電力負荷の消費電力量及び給湯負荷の消費熱量の予測値」としては、過去における電力負荷の消費電力量、及び給湯負荷の消費熱量の実績値又はこれらの実績値から導き出される値を使用することができる。「発電計画策定期間」とは、コージェネレーション装置の発電量の計画を策定する期間をいい、通常は１日とされるが、これに限るものではない。「時間帯」としては、所定の長さの時間区間のことをいう。「時間帯」の長さとしては、例えば１時間とされる。
【００１７】
負荷記憶手段が記憶する各々の予測値は、発電計画策定期間分の各時間帯における予測値であってもよい。しかし、１週間分の各曜日の各時間帯における予測値を負荷記憶手段が記憶させておくことが好ましい。通常は、一般家庭においては曜日によって生活時間帯が異なることから、曜日によって電力又は熱の消費時間帯が異なると考えられるからである。
【００１８】
「電主運転」とは、コージェネレーション装置の運転方法であって、電力負荷の予測消費電力がコージェネレーション装置の最大発電量以下の場合には電力負荷の予測消費電力で発電を行い、電力負荷の予測消費電力がコージェネレーション装置の最大発電量を超える場合にはコージェネレーション装置の最大発電量で発電を行う運転方法をいう。
【００１９】
また、本発明においては、各時間帯が経過するごとに、その経過した時間帯における前記電力負荷の消費電力量、及び前記給湯負荷の消費熱量（暖房負荷がある場合は、暖房負荷の消費熱量）の実績値に基づいて、前記負荷記憶手段に記憶された前記電力負荷の消費電力量、及び前記給湯負荷の消費熱量（暖房負荷がある場合は、前記暖房負荷の消費熱量）の予測値を更新する負荷消費量予測手段を備えた構成としてもよい。
【００２０】
これにより、負荷記憶手段に記憶された電力負荷の消費電力量、及び給湯負荷等の消費熱量の予測値には常に最新の実績値が反映されるため、これらの消費量の予測誤差を少なくすることができる。
【００２１】
この場合、負荷記憶手段に格納された電力負荷の消費電力量、及び給湯負荷の消費熱量（暖房負荷がある場合は、暖房負荷の消費熱量）の予測値を更新する場合には、これらの値を実績値により書き換えてもよいし、過去に負荷記憶手段に記憶されているこれらの値と実績値との加重平均を計算し、その加重平均によって予測値を更新する構成としてもよい。
【００２２】
本発明に係るコージェネレーション・システムの出力制御装置の第２の構成は、前記第１の構成において、前記コージェネレーション装置が出力する熱量の殆どが、蓄熱装置に蓄熱されることなく前記給湯負荷に消費されるか、又は蓄熱されてもその蓄熱時間が極めて短くなる程度に消費される場合と、前記コージェネレーション装置が出力する熱量の全部又は一部が蓄熱装置に蓄熱される場合のいずれであるかを判定するための閾値を、前記給湯負荷の消費熱量の予測値が超える時間帯よりも、該閾値以下の状態の前の時間帯における前記仮発電量を補正するための放熱補正係数を、前記蓄熱装置に蓄熱された熱が放熱により喪失する単位時間帯あたりの割合に、その後の時間帯の放熱補正係数を掛けることで算出し、算出された放熱補正係数に基づいて前記仮発電量を補正する仮発電量補正手段を備え、前記熱出力算出手段は、前記仮発電量補正手段により補正された前記仮発電量により前記発電計画策定期間内の各時間帯において前記コージェネレーション装置を運転した場合に、前記コージェネレーション装置が出力する熱量の積算値を算出すること
を特徴とする。
【００２３】
給湯負荷の熱消費が所定の閾値を超える時間帯では、コージェネレーション装置が出力する熱量の殆どが、蓄熱装置に蓄熱されることなく即刻消費されるか、又は蓄熱されてもその蓄熱時間は極めて短いと考えられる。従って、この時間帯では、蓄熱時の放熱の影響は考慮しなくてもよいと考えられる。しかし、給湯負荷の熱消費が所定の閾値以下の時間帯では、コージェネレーション装置が出力する熱量の全部又は一部は、給湯負荷の熱消費が所定の閾値を超える時間帯に達するまで、ある程度長時間にわたって蓄熱装置に蓄熱されると考えられる。従って、この時間帯では、蓄熱時の放熱の影響が顕著になると考えられる。
【００２４】
そこで、仮発電量を決定する場合、給湯負荷の熱消費が所定の閾値を超える時間帯では、電力負荷の予測消費電力に従った電主運転による発電量が決定される。一方、給湯負荷の熱消費が所定の閾値以下の時間帯では、電力負荷の予測消費電力に対して、蓄熱装置に蓄熱された熱が放熱により喪失する割合に比例する放熱補正係数を掛けることにより仮発電量が決定される。従って、給湯負荷の熱消費が所定の閾値を超える時間帯に達するまでの時間が長いほど、電力負荷の予測消費電力に対する仮発電量の比が小さくなる。
【００２５】
すなわち、給湯負荷の熱消費が所定の閾値を超える時間帯に達するまでの時間が長いほどコージェネレーション装置の発電量を抑え、余剰な熱量が極力出力されないように調節される。従って、蓄熱装置における放熱損失を極力抑えることが可能となり、コージェネレーション・システムの省エネルギー性が高められる。
【００２６】
本発明に係るコージェネレーション・システムの出力制御装置の第３の構成は、前記第１又は２の構成において、前記仮発電量算出手段、前記熱出力算出手段、前記消費熱量算出手段、前記熱出力余剰係数算出手段、及び前記発電計画決定手段は、各時間帯が経過するごとに、その時点を始点とする発電計画策定期間内の各時間帯における前記コージェネレーション装置の発電量を算出し直すことを特徴とする。
【００２７】
この構成により、各時間帯が経過するごとに、経過した時間帯で蓄熱装置に蓄熱されている実際の蓄熱量を用いて、その後の時間帯において予定されるコージェネレーション装置の発電量が修正される。そのため、予測される給湯負荷の消費熱量と実際の消費熱量とが異なり、予測された蓄熱量に誤差が生じた場合でも、各時間帯が経過するごとにリアルタイムに予測が修正され、それ以降の時間帯のコージェネレーション装置の発電量が計算し直される。従って、上記予測誤差の影響が小さくなるため、コージェネレーション・システムの省エネルギー性を高めることが可能となる。
【００２８】
本発明に係るコージェネレーション・システムの出力制御装置の第４の構成は、前記第１乃至３の何れか一の構成において、前記コージェネレーション・システムは、前記コージェネレーション装置が出力する熱量を消費する暖房負荷を備えており、前記消費熱量算出手段は、前記発電計画策定期間内における前記給湯負荷及び前記暖房負荷の予測消費熱量の総てを賄うために供給することが必要とされる熱量を実質消費熱量として算出することを特徴とする。
【００２９】
この構成により、コージェネレーション装置が出力する熱量が暖房負荷において消費される場合であっても、暖房負荷による熱消費により蓄熱量が低くなる影響を考慮してコージェネレーション装置の発電量が決定される。従って、暖房負荷を有するコージェネレーション・システムの省エネルギー性を高めることが可能となる。
【００３０】
本発明に係るコージェネレーション・システムの出力制御方法の第１の構成は、発電により電力を出力するとともに発電に伴い生じる熱量を出力するコージェネレーション装置と、前記コージェネレーション装置が出力する電力を消費する電力負荷と、前記コージェネレーション装置が出力する熱量を蓄熱する蓄熱装置と、前記コージェネレーション装置が出力する排熱又は前記蓄熱装置に蓄熱された熱量を消費する給湯負荷と、発電計画策定期間内の各時間帯における前記電力負荷の消費電力量及び前記給湯負荷の消費熱量の予測値を記憶する負荷記憶手段と、を備えたコージェネレーション・システムにおいて、前記コージェネレーション装置の出力制御を行う出力制御方法であって、前記負荷記憶手段に記憶された前記電力負荷の消費電力量の予測値に基づき、前記コージェネレーション装置の運転方法であって、電力負荷の予測消費電力が前記コージェネレーション装置の最大発電量以下の場合には電力負荷の予測消費電力で発電を行い、電力負荷の予測消費電力が前記コージェネレーション装置の最大発電量を超える場合には前記コージェネレーション装置の最大発電量で発電を行う運転方法である電主運転により前記コージェネレーション装置を運転した場合の各時間帯における発電量である仮発電量を算出する仮発電量算出手順、前記発電計画策定期間内の各時間帯において前記コージェネレーション装置により前記仮発電量を発電した場合において、前記コージェネレーション装置が出力する熱量の積算値を算出する熱出力算出手順、前記発電計画策定期間内における前記給湯負荷の予測消費熱量の総てを賄うために供給することが必要とされる熱量である実質消費熱量を算出する消費熱量算出手順、前記実質消費熱量を前記熱出力算出手段が算出する熱量の積算値で除した値である熱出力余剰係数を算出する熱出力余剰係数算出手順、及び、前記発電計画策定期間内の各時間帯における仮発電量に対して前記熱出力余剰係数を掛けることにより、各時間帯における前記コージェネレーション装置の発電量を算出して、運転計画記憶手段に格納する発電計画決定手順、前記運転計画記憶手段に格納された各時間帯における前記コージェネレーション装置の発電量に基づいて前記コージェネレーション装置の発電出力の制御を行うシステム制御手順、を有していることを特徴とする。
【００３１】
これにより、上述の通り、発電計画策定期間が終了した時点における蓄熱装置の蓄熱量を極力少なくすることができ、コージェネレーション・システムの省エネルギー性を高めることが可能となる。
【００３２】
本発明に係るコージェネレーション・システムの出力制御方法の第２の構成は、前記第１の構成において、前記仮発電量算出手順において算出された前記仮発電量のうち、前記給湯負荷の消費熱量の予測値が、前記コージェネレーション装置が出力する熱量の殆どが、蓄熱装置に蓄熱されることなく前記給湯負荷に消費されるか、又は蓄熱されてもその蓄熱時間が極めて短くなる程度に消費される場合と、前記コージェネレーション装置が出力する熱量の全部又は一部が蓄熱装置に蓄熱される場合のいずれであるかを判定するための閾値を超える時間帯よりも、該閾値以下の状態の前の時間帯における前記仮発電量を補正するための放熱補正係数を、前記蓄熱装置に蓄熱された熱が放熱により喪失する単位時間帯あたりの割合に、その後の時間帯の放熱補正係数を掛けることで算出し、算出された放熱補正係数に基づいて前記仮発電量を補正する仮発電量補正手順を有し、前記熱出力算出手順においては、前記仮発電量補正手段により補正された前記仮発電量により前記発電計画策定期間内の各時間帯において前記コージェネレーション装置を運転した場合に、前記コージェネレーション装置が出力する熱量の積算値を算出することを特徴とする。
【００３３】
これにより、上述の通り、蓄熱装置における蓄熱時の放熱損失の影響も考慮してコージェネレーション装置の発電量の計画が立てられるため、蓄熱装置における放熱損失を極力抑えることが可能となり、コージェネレーション・システムの省エネルギー性が高められる。
【００３４】
本発明に係るコージェネレーション・システムの出力制御方法の第３の構成は、前記第１又は２の構成において、各時間帯が経過するごとに、その時点を始点とする発電計画策定期間内の各時間帯における前記コージェネレーション装置の発電量を算出し直すことを特徴とする。
【００３５】
これにより、上述の通り、予測される給湯負荷の消費熱量と実際の消費熱量とが異なり、予測された蓄熱量に誤差が生じた場合でも、各時間帯が経過するごとにリアルタイムに予測が修正される。そのため、上記予測誤差の影響が小さくなるため、コージェネレーション・システムの省エネルギー性を高めることが可能となる。
【００３６】
本発明に係るコージェネレーション・システムの出力制御方法の第４の構成は、前記第１乃至３の何れか一の構成において、前記コージェネレーション・システムは、前記コージェネレーション装置が出力する熱量を消費する暖房負荷を備えており、前記消費熱量算出手順においては、前記発電計画策定期間内における前記給湯負荷及び前記暖房負荷の予測消費熱量の総てを賄うために供給することが必要とされる熱量を実質消費熱量として算出することを特徴とする。
【００３７】
これにより、上述の通り、暖房負荷を有するコージェネレーション・システムの省エネルギー性を高めることが可能となる。
【００３８】
本発明に係るコージェネレーション・システムの出力制御プログラムの第１の構成は、発電により電力を出力するとともに発電に伴うに生じる熱量を出力するコージェネレーション装置と、前記コージェネレーション装置が出力する電力を消費する電力負荷と、前記コージェネレーション装置が出力する熱量を蓄熱する蓄熱装置と、前記コージェネレーション装置が出力する排熱又は前記蓄熱装置に蓄熱された熱量を消費する給湯負荷と、前記コージェネレーション装置の制御を行うコンピュータと、を備えたコージェネレーション・システムにおいて、前記コンピュータに読み込ませて実行することにより、前記コンピュータを請求項１乃至３の何れか一に記載の出力制御装置として動作させることを特徴とする。
【００３９】
本発明に係るコージェネレーション・システムの出力制御プログラムの第２の構成は、発電により電力を出力するとともに発電に伴うに生じる熱量を出力するコージェネレーション装置と、前記コージェネレーション装置が出力する電力を消費する電力負荷と、前記コージェネレーション装置が出力する熱量を消費する暖房負荷と、前記コージェネレーション装置が出力する熱量を蓄熱する蓄熱装置と、前記コージェネレーション装置が出力する排熱又は前記蓄熱装置に蓄熱された熱量を消費する給湯負荷と、前記コージェネレーション装置の制御を行うコンピュータと、を備えたコージェネレーション・システムにおいて、前記コンピュータに読み込ませて実行することにより、前記コンピュータを請求項４記載の出力制御装置として動作させることを特徴とする。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１に係るコージェネレーション・システムの構成図である。本実施形態に係るコージェネレーション・システム１は、主要な構成として、燃料電池（fuel cell。以下、「ＦＣ」という。）２、インバータ３、排熱熱交換器４、余剰電力ヒータ５、ＦＣ用コントローラ６、暖房熱交換器７、成層式貯湯槽８、補助熱源９、給湯用コントローラ１０を有している。
【００４１】
ＦＣ２には、燃料である天然ガスと空気とが供給される。ＦＣ２は、供給された天然ガスから水素を創り出し水素及び空気から発電を行うとともに、発電時に発生する熱（以下、「排熱」という。）を出力する。インバータ３には、ＦＣ２から出力される電気と商用電源から送電される電気とが入力される。そして、インバータ３は、電力負荷で要求される電力に応じて、ＦＣ２から出力される電力を施設内の電気機器等の電力負荷に供給する。尚、電力負荷で要求される電力に対してＦＣ２から出力される電力が不足している場合には、インバータ３は、不足分に対しては商用電源から供給される電力で賄う。
【００４２】
ＦＣ２において発電時に発生する排熱は、ＦＣ２の冷却水により取り出される。この冷却水により取り出された排熱は、排熱熱交換器４において、蓄熱装置である成層式貯湯槽８から供給される循環水と熱交換される。この循環水は、循環ポンプ１１により成層式貯湯槽８の下部から取り出され、排熱熱交換器４に送られる。排熱熱交換器４において排熱が供給された循環水は、余剰電力ヒータ５及び暖房熱交換器７を経て成層式貯湯槽８の上部に戻される。
【００４３】
ＦＣ用コントローラ６は、電流センサ１２により電力負荷に供給される電流を検出するとともに、電流センサ１３により商用電源から供給される電流を検出する。これにより、ＦＣ用コントローラ６は、電力負荷において消費された電力及び商用電源から供給された電力を検出することができる。
【００４４】
ＦＣ２が出力する電力が電力負荷から要求される電力よりも大きい場合、ＦＣ２から商用電源側に電力の逆潮流が生じる。ＦＣ用コントローラ６は、このような電力の逆潮流を防ぐため、電流センサ１３で検出される電流値が所定の閾値以上となった場合には、インバータ３の出力する電力の一部を電熱変換装置である余剰電力ヒータ５に回す。そして、余剰電力ヒータ５において余剰な電力を消費させ、ＦＣ２から商用電源側への電力の逆潮流を防止する。余剰電力ヒータ５は、供給される電力を熱に変換し、電熱変換により発生する熱を、循環水に供給する。これにより、余剰電力は循環水により熱として回収される。
【００４５】
暖房熱交換器７は、循環水に供給された熱を、暖房機器等の暖房負荷（図示せず。）に循環される熱媒体に熱交換する。暖房負荷の熱媒体は、熱媒循環ポンプ１４により暖房負荷から暖房熱交換器７に送られた後、補助熱源９を通って再び暖房負荷に戻される。
【００４６】
成層式貯湯槽８は、上部から下部にかけて高温から低温となるような温度勾配を有する温湯が貯湯されている。台所、風呂等の給湯負荷へ温湯を供給する場合には、成層式貯湯槽８の上層の温湯が、補助熱源９を介して送水される。そして、給湯による成層式貯湯槽８内の水の減少分は、成層式貯湯槽８の底部からの給水により補われる。この給水量は、流量センサ１５により検出される。また、給水時の水の温度は、温度センサ１６により検出される。
【００４７】
成層式貯湯槽８には、垂直方向に複数の温度センサ１７ａ〜１７ｅが設けられている。この温度センサ１７ａ〜１７ｅによって、成層式貯湯槽８内に貯湯された温湯の各層の温度を検出することができる。
【００４８】
また、暖房負荷からの戻り配管及び往き配管には、熱媒体の温度を検出する温度センサ１８，１９が設けられている。更に、給湯負荷への給湯用配管には、給湯温度を検出する温度センサ２０が設けられている。
【００４９】
給湯用コントローラ１０は、温度センサ１６，１７ａ〜１７ｅ，１８，１９，２０により検出される温度、流量センサ１５により検出される給水量、補助熱源９により発生した熱量、熱媒循環ポンプ１４の熱媒循環流量等から、暖房負荷や給湯負荷において実際に消費された熱量や成層式貯湯槽８における放熱損失を検出する。また、ＦＣ用コントローラ６と給湯用コントローラ１０とは協働して、コージェネレーション・システム１の制御を行う。
【００５０】
図２は本発明の実施形態１に係るコージェネレーション・システムの出力制御装置の構成を表すブロック図である。
【００５１】
本実施形態に係る出力制御装置３０は、ＦＣ用コントローラ６及び給湯器用コントローラ１０が協働することにより実現されている。出力制御装置３０は、負荷消費量予測手段３１、負荷記憶手段３２、仮発電量算出手段３３、熱出力算出手段３４、消費熱量算出手段３５、熱出力余剰係数算出手段３６、発電計画決定手段３７、運転計画記憶手段３８、及びシステム制御手段３９を有している。
【００５２】
負荷消費量予測手段３１は、消費電力検出手段４１により検出される電力負荷の電力消費量、暖房負荷熱量検出手段４２によって検出される暖房負荷の消費熱量、及び給湯負荷熱量検出手段４３により検出される給湯負荷の消費熱量に基づいて、１日の各時間帯ｎ（ｎ∈｛０，１，…，２３｝。但し、時間帯ｎとは、n時〜n+1時までの時間帯を表す。）における電力負荷、暖房負荷、及び給湯負荷の消費電力又は消費熱量の予測値Wp(n)，Qh(n)，Qs(n)を決定し、負荷記憶手段３２に記憶する。ここで、消費電力検出手段４１は、電流センサ１２，１３により実現されている。暖房負荷熱量検出手段４２は、温度センサ１８，１９及び給湯用コントローラ１０により実現されている。また、給湯負荷熱量検出手段４３は、温度センサ１６，２０及び流量センサ１５により実現されている。
【００５３】
仮発電量算出手段３３は、発電計画策定期間内の各時間帯における仮発電量を算出する。ここでの、「仮発電量」とは、負荷記憶手段３２に記憶された電力負荷の消費電力量の予測値に基づいて、電主運転によりＦＣ２を運転した場合の各時間帯における発電量をいう。また、本実施形態においては発電計画策定期間は２４時間とされている。熱出力算出手段３４は、発電計画策定期間内の各時間帯において、ＦＣ２により仮発電量を発電した場合において、ＦＣ２が出力する熱量の積算値（以下、「総仮発電量」という。）を算出する。
【００５４】
消費熱量算出手段３５は、実質消費熱量の計算を行う。ここでの、「実質消費熱量」とは、発電計画策定期間内における暖房負荷及び給湯負荷の予測消費熱量の総てを賄うために供給することが必要とされる熱量をいう。熱出力余剰係数算出手段３６は、熱出力余剰係数の計算を行う。ここで、「熱出力余剰係数」とは、実質消費熱量を総仮発電量で除した値をいう。
【００５５】
発電計画決定手段３７は、発電計画策定期間内の各時間帯における仮発電量に対して熱出力余剰係数を掛けることにより、各時間帯におけるＦＣ２の発電量を算出し、これらを運転計画記憶手段３８に記憶させる。
【００５６】
システム制御手段３９は、コージェネレーション・システム１のＦＣ２、インバータ３、余剰電力ヒータ５、補助熱源９、循環ポンプ１１、熱媒循環ポンプ１４等の運転制御を行う。このシステム制御手段３９は、ＦＣ運転制御手段４０を有している。ＦＣ運転制御手段４０は、運転計画記憶手段３８に格納された１日の発電出力｛Wp(n)；n=0,…,23｝に従ってＦＣ２の発電出力の制御を行う。
【００５７】
以上のように構成された本実施形態に係るコージェネレーション・システムの出力制御装置において、以下その動作を説明する。
【００５８】
図３は本発明の実施形態１に係るコージェネレーション・システムの出力制御方法を表すフローチャートである。
【００５９】
まず、熱出力余剰係数算出手段３６は、内部変数として有している給湯負荷熱量積算値Qstot及び暖房負荷熱量積算値Qhtotの値を０に設定する（Ｓ１）。ここで、給湯負荷熱量積算値Qstotは、発電計画策定期間内における給湯負荷の消費熱量{Qs(n); n∈{0,1,…,23}}の積算値を表す変数である。また、暖房負荷熱量積算値Qhtotは、発電計画策定期間内における暖房負荷の消費熱量{Qh(n); n∈{0,1,…,23}}の積算値を表す変数である。尚、ｎは時間帯を表す。また、給湯負荷消費熱量{Qs(n); n∈{0,1,…,23}}、暖房負荷消費熱量{Qh(n); n∈{0,1,…,23}}の値は、負荷記憶手段３２に記憶されている。
【００６０】
次に、出力制御装置３０は、時間帯を表す変数ｎの値を０に設定する（Ｓ２）。そして、仮発電量算出手段３３は、負荷記憶手段３２から時間帯ｎにおける負荷消費電力Wp(n)を読み出して、この負荷消費電力Wp(n)の値が最大ＦＣ発電量Wpmaxの値よりも小さいか否かを判定する（Ｓ３）。ここで、「最大ＦＣ発電量」とは、ＦＣ２が単位時間帯あたり発電することが可能な電力量の最大値をいう。
【００６１】
ここで、Wp(n)<Wpmaxの場合、仮発電量算出手段３３は、仮発電量Wfc'(n)の値を負荷消費電力Wp(n)の値に設定する（Ｓ４）。また、ステップＳ３においてWp(n)≧Wpmaxの場合、仮発電量算出手段３３は、仮発電量Wfc'(n)の値を最大ＦＣ発電量Wpmaxの値に設定する（Ｓ５）。
【００６２】
図４は発電計画策定期間内における負荷消費電力と仮発電量との関係の一例を表す図である。図４から分かるように、時間帯ｎにおける負荷消費電力Wp(n)が最大ＦＣ発電量Wpmaxよりも小さい場合には、仮発電量Wfc'(n)の値は負荷消費電力Wp(n)の値に追随して定まる。しかし、負荷消費電力Wp(n)が最大ＦＣ発電量Wpmax以上の場合には、ＦＣ２は最大ＦＣ発電量Wpmax以上の電力量は発電することができないので、仮発電量Wfc'(n)の値は最大ＦＣ発電量Wpmaxの値に定まる。
【００６３】
図３の説明に戻って、次に、熱出力算出手段３４は、得られた時間帯ｎにおける仮発電量Wfc'(n)の値から、ＦＣ２が時間帯ｎに排熱する熱量（以下、「ＦＣ排熱量」という。）Qe(n)の計算を行う。すなわち、まず、ＦＣ２が時間帯ｎに消費するガス量（以下、「ＦＣ消費ガス量」という。）Qfc(n)を、（数１）により計算する（Ｓ６）。ここで、ＦＣ２の発電効率をεefcとした。
【数１】
【００６４】
そして、ＦＣ消費ガス量Qfc(n)の値から、ＦＣ排熱量Qe(n)の値を（数２）により算出する（Ｓ７）。ここで、hfcはＦＣ２及び排熱熱交換器４の熱効率（以下、「ＦＣ熱効率」という。）を表す。
【数２】
【００６５】
次に、時間帯ｎの値が０の場合には（Ｓ８）、熱出力算出手段３４は熱出力積算量Qout(0)の値をＦＣ排熱量Qe(0)の値に設定し（Ｓ９）、成層式貯湯槽８の蓄熱量Qheap(0)の値をQheap0+Qe(0)-Qs(0)-RhQh(0)に設定する（Ｓ１０）。ここで、Qheap0は、時間帯０の開始時刻における成層式貯湯槽８内の蓄熱量を表す。
【００６６】
一方、ステップＳ８において時間帯ｎの値が０でない場合には、熱出力算出手段３４は熱出力積算量Qout(n)の値を、前の時間帯ｎ−１の熱出力積算量Qout(n-1)の値にＦＣ排熱量Qe(n)の値を加えた値に設定し（Ｓ１１）、成層式貯湯槽８の蓄熱量Qheap(n)の値をQheap(n-1)+Qe(n)-Qs(n)-RhQh(n)に設定する（Ｓ１２）。
【００６７】
そして、熱出力余剰係数算出手段３６は、給湯負荷熱量積算値Qstotの値に給湯負荷消費熱量Qs(n)の値を加え、暖房負荷熱量積算値Qhtotの値に暖房負荷消費熱量Qh(n)の値を加える（Ｓ１３）。
【００６８】
以上の、ステップＳ３〜Ｓ１３までの動作を、時間帯ｎの値を１ずつ繰り上げながら、ｎが２３となるまで繰り返す（Ｓ１４）。これにより、仮ＦＣ発電量{Wfc'(n); n=0,…,23}、熱出力積算量{Qout(n); n=0,…,23}、及び成層式貯湯槽８の蓄熱量{Qheap(n) ; n=0,…,23}の値と給湯負荷熱量積算値Qstot及び暖房負荷熱量積算値Qhtotの値が求められる。
【００６９】
図５は１日の各時間帯における暖房負荷と給湯負荷の消費する熱量の一例を表す図であり、図６は図４の電力消費及び図５の熱消費に対して仮ＦＣ発電量でＦＣを運転した場合の熱出力積算量と蓄熱量の時間変化を表す図である。図５，図６より、大きな給湯負荷、暖房負荷による熱消費が予測される時間帯（ｎ＝１８〜２２の時間帯）まで、ＦＣ２の排熱を成層式貯湯槽８に蓄熱される。そして、大きな熱消費が予測される時間帯において、成層式貯湯槽８に蓄熱された熱量は一気に消費され、蓄熱量が減少することが分かる。このとき、最終の時間帯ｎ＝２３において総ての蓄熱量が消費されない場合には、この蓄熱量は翌日に持ち越される。しかし、成層式貯湯槽８に蓄熱される期間が長くなると、放熱により熱量が失われるため、コージェネレーション・システムの省エネルギー性が低くなる。従って、最終の時間帯ｎ＝２３における蓄熱量を最小にするように、ＦＣ２の発電量を制御することを目標とする。
【００７０】
図３の説明に戻って、次に、熱出力余剰係数算出手段３６は、（数３）により、有効利用率ηuseを計算し（Ｓ１５）、（数４）により熱出力余剰係数γoverを計算する（Ｓ１６）。ここで、「有効利用率」とは、ＦＣ２が出力するＦＣ排熱量Qe(n)に対する有効に消費される熱量の比を表し、熱の有効活用の度合いを表す評価基準である。
【数３】
【数４】
【００７１】
最後に、発電計画決定手段３７は、各時間帯において（数５）の計算を行うことにより、発電計画策定期間内における各時間帯ｎのＦＣ２の発電量Wfc(n)を決定し、運転計画記憶手段３８に記憶させる（Ｓ１７〜Ｓ１９）。
【数５】
【００７２】
図７は図４に示した各時間帯の仮ＦＣ発電量を修正して求められたＦＣ発電量を表す図である。図７より、各時間帯において予測される電力消費量に対してＦＣ発電量は小さくなる。従って、不足分の電力は、商用電源により賄われる。
【００７３】
ＦＣ運転制御手段４０は、運転計画記憶手段３８に記憶された発電量Wfc(n)の値に従って、各時間帯においてＦＣ２の発電量の制御を行う。これにより、発電計画策定期間の終了時に成層式貯湯槽８に蓄熱されている蓄熱量を最小限に抑えることができる。従って、成層式貯湯槽８における放熱損失を極力抑え、コージェネレーション・システムの省エネルギー性を高めることが可能である。
【００７４】
尚、本実施形態においては、発電計画決定手段３７による発電計画策定期間内における各時間帯ｎの発電量Wfc(n)を決定し、１日のうちの決められた時間（例えば、０時）において行うように構成してもよい。
【００７５】
しかし、実際には予測された給湯消費熱量や暖房消費熱量と、実際に消費される給湯消費熱量や暖房消費熱量との間には誤差が生じる。そこで、各時間帯が経過するごとに、その時刻を機転として、発電計画策定期間内の各時間帯ｎの発電量Wfc(n)を決定し直すようにしてもよい。
【００７６】
また、本実施形態では暖房負荷がある場合について説明をしたが、暖房負荷を有しないコージェネレーション・システムの場合には、Qh(n)=0とおくことで、このモデルをそのまま適用することができる。
【００７７】
また、本実施形態においては、ＦＣ用コントローラ６及び給湯用コントローラ１０をマイコンにより構成し、これらのマイコンでコージェネレーション・システムの出力制御プログラムを実行することにより、上記出力制御装置を実現する構成としてもよい。
【００７８】
（実施形態２）
図８は本発明の実施形態２に係るコージェネレーション・システムの出力制御装置の構成を表すブロック図である。
【００７９】
図８において、負荷消費量予測手段３１、負荷記憶手段３２、仮発電量算出手段３３、熱出力算出手段３４、消費熱量算出手段３５、熱出力余剰係数算出手段３６、発電計画決定手段３７、運転計画記憶手段３８、システム制御手段３９、及びＦＣ運転制御手段４０は、実施形態１のものと同様であるので説明は省略する。
【００８０】
本実施形態に係る出力制御装置３０’は、仮発電量補正手段５１を新たに備えたことを特徴としている。仮発電量補正手段５１は、給湯負荷の消費熱量の予測値Qs(n)が、所定の閾値（以下、「放熱補正閾値」という。）Qsthを超える時間帯ｎよりも前の時間帯ｍにおける仮発電量Qfc'(m)に対しては、成層式貯湯槽８に蓄熱された熱が放熱により喪失する割合に比例する放熱補正係数γrad(m)を掛けることにより、仮発電量Qfc'(m)の補正を行う。そして、熱出力算出手段３４は、仮発電量補正手段５１により補正された仮発電量により、発電計画策定期間内の各時間帯においてＦＣ２を運転した場合に、ＦＣ２が出力する熱量の積算値を算出する。
【００８１】
以上のように構成された本実施形態に係るコージェネレーション・システムの出力制御装置において、以下その動作を説明する。
【００８２】
図９は本実施形態に係るコージェネレーション・システムの出力制御方法を表すフローチャートである。
【００８３】
まず、熱出力余剰係数算出手段３６は、内部変数として有している給湯負荷熱量積算値Qstot及び暖房負荷熱量積算値Qhtotの値を０に設定する（Ｓ３１）。
【００８４】
次に、出力制御装置３０’は、時間帯を表す変数ｎの値を０に設定する（Ｓ３２）。そして、仮発電量算出手段３３は、負荷記憶手段３２から時間帯ｎにおける負荷消費電力Wp(n)を読み出して、この負荷消費電力Wp(n)の値が最大ＦＣ発電量Wpmaxの値よりも小さいか否かを判定する（Ｓ３３）。
【００８５】
Wp(n)<Wpmaxの場合、仮発電量算出手段３３は、仮発電量Wfc'(n)の値を負荷消費電力Wp(n)の値に設定する（Ｓ３４）。また、ステップＳ３３においてWp(n)≧Wpmaxの場合、仮発電量算出手段３３は、仮発電量Wfc'(n)の値を最大ＦＣ発電量Wpmaxの値に設定する（Ｓ３５）。
【００８６】
そして、熱出力余剰係数算出手段３６は、給湯負荷熱量積算値Qstotの値に給湯負荷消費熱量Qs(n)の値を加え、暖房負荷熱量積算値Qhtotの値に暖房負荷消費熱量Qh(n)の値を加える（Ｓ３６）。
【００８７】
以上の、ステップＳ３３〜Ｓ３６までの動作を、時間帯ｎの値を１ずつ繰り上げながら、ｎが２３となるまで繰り返す（Ｓ３７）。これにより、仮ＦＣ発電量{Wfc'(n); n=0,…,23}の値と給湯負荷熱量積算値Qstot及び暖房負荷熱量積算値Qhtotの値が求められる。仮ＦＣ発電量の値は、例えば、図４のようになる。
【００８８】
次に、仮発電量補正手段５１は、給湯終了時検出フラグflgの値を０に設定する（Ｓ３８）。給湯終了時検出フラグflgとは、発電計画策定期間内において、ある時間帯以降の総ての時間帯において放熱補正閾値Qsthを超える給湯熱量消費があるか否かを判定するためのフラグである。ある時間帯においてflg=0の場合には、その時間帯以降の時間帯においては放熱補正閾値Qsthを超える給湯熱量消費がないことを表す。
【００８９】
次に、出力制御装置３０’は、時間帯を表す変数ｎの値を発電計画策定期間の最後の時間帯ｎ＝２３に設定する（Ｓ３９）。そして、仮発電量補正手段５１は、時間帯ｎにおける給湯負荷熱量Qs(n)の値が放熱補正閾値Qsthを超えているか否かを判定する（Ｓ４０）。
【００９０】
Qs(n)≦Qsthの場合には、次に、仮発電量補正手段５１は、給湯終了時検出フラグflgの値が０であるか否かを判定する（Ｓ４１）。ここで、flg=0であれば、仮発電量補正手段５１は放熱補正係数γrad(n)の値を給湯終了後の放熱補正係数γrad0に設定する（Ｓ４２）。ここで、給湯終了後の放熱補正係数γrad0の値は、１未満のできるだけ小さい値のほうがよいが、ここでは、γrad0=0.5であるとする。一方、ステップＳ４１において、flg≠0である場合には、仮発電量補正手段５１は放熱補正係数γrad(n)の値を、その後の時間帯ｎ＋１の放熱補正係数γrad(n+1)に放熱係数ｒを掛けた値に設定する（Ｓ４５）。ここで、「放熱係数」とは、成層式貯湯槽８に蓄熱された熱量が単位時間帯あたりに喪失する割合を表す。
【００９１】
一方、ステップＳ４０において、Qs(n)>Qsthの場合には、仮発電量補正手段５１は、給湯終了時検出フラグflgの値を１に設定する（Ｓ４３）。そして、放熱補正係数γrad(n)の値を１．０に設定する（Ｓ４４）。
【００９２】
以上のステップＳ４０〜Ｓ４５の動作を、ｎの値を１づつ繰り下げながら、ｎが０になるまで実行する。これにより、仮ＦＣ発電量{Wfc'(n); n=0,…,23}の値は、成層式貯湯槽８における放熱損失が大きくなる時間帯では小さめに補正され、成層式貯湯槽８における放熱損失が殆どない時間帯ではそのままの値とされる。
【００９３】
図１０は図４、図５に示したような電力消費及び熱消費があった場合に図４に示した仮ＦＣ発電量を補正して得られる仮ＦＣ発電量を表す図である。図１０から分かるように、大きな給湯負荷の熱消費がある以前の時間帯では、大きな給湯負荷の熱消費があるまでの時間間隔が長いほど仮ＦＣ発電量の値は小さめに補正されていることが分かる。
【００９４】
図９の説明に戻って、次に、出力制御装置３０’は、時間帯を表す変数ｎの値を発電計画策定期間の最後の時間帯ｎ＝０に設定する（Ｓ４８）。次に、熱出力算出手段３４は、得られた時間帯ｎにおける仮発電量Wfc'(n)の値から、ＦＣ排熱量Qe(n)の計算を行う。すなわち、まず、ＦＣ消費ガス量Qfc(n)を、（数１）により計算する（Ｓ４９）。そして、ＦＣ消費ガス量Qfc(n)の値から、ＦＣ排熱量Qe(n)の値を（数２）により算出する（Ｓ５０）。
【００９５】
次に、時間帯ｎの値が０の場合には（Ｓ５１）、熱出力算出手段３４は熱出力積算量Qout(0)の値をＦＣ排熱量Qe(0)の値に設定し（Ｓ５２）、成層式貯湯槽８の蓄熱量Qheap(0)の値をQheap0+Qe(0)-Qs(0)-RhQh(0)に設定する（Ｓ５３）。
【００９６】
一方、ステップＳ５１において時間帯ｎの値が０でない場合には、熱出力算出手段３４は熱出力積算量Qout(n)の値を、前の時間帯ｎ−１の熱出力積算量Qout(n-1)の値にＦＣ排熱量Qe(n)の値を加えた値に設定し（Ｓ５４）、成層式貯湯槽８の蓄熱量Qheap(n)の値をQheap(n-1)+Qe(n)-Qs(n)-RhQh(n)に設定する（Ｓ５５）。
【００９７】
以上の、ステップＳ４９〜Ｓ５５までの動作を、時間帯ｎの値を１ずつ繰り上げながら、ｎが２３となるまで繰り返す（Ｓ５６）。これにより、熱出力積算量{Qout(n); n=0,…,23}、及び成層式貯湯槽８の蓄熱量{Qheap(n) ; n=0,…,23}の値と給湯負荷熱量積算値Qstot及び暖房負荷熱量積算値Qhtotの値が求められる。
【００９８】
次に、熱出力余剰係数算出手段３６は、（数３）により、有効利用率ηuseを計算し（Ｓ５７）、（数４）により熱出力余剰係数γoverを計算する（Ｓ５８）。
【００９９】
最後に、発電計画決定手段３７は、各時間帯において（数５）の計算を行うことにより、発電計画策定期間内における各時間帯ｎのＦＣ２の発電量Wfc(n)を決定し、運転計画記憶手段３８に記憶させる（Ｓ５９〜Ｓ６１）。
【０１００】
以上のように、本実施形態によれば、成層式貯湯槽８に蓄熱された蓄熱量が放熱により失われる放熱損失の量を考慮した形で、ＦＣ発電量{Wfc(n)}の最適化が図られる。従って、コージェネレーション・システムの省エネルギー性を、更に高めることが可能となる。
【０１０１】
尚、本実施形態においては、発電計画決定手段３７による発電計画策定期間内における各時間帯ｎの発電量Wfc(n)を決定し、１日のうちの決められた時間（例えば、０時）において行うように構成してもよい。
【０１０２】
しかし、実際には予測された給湯消費熱量や暖房消費熱量と、実際に消費される給湯消費熱量や暖房消費熱量との間には誤差が生じる。そこで、各時間帯が経過するごとに、その時刻を機転として、発電計画策定期間内の各時間帯ｎの発電量Wfc(n)を決定し直すようにしてもよい。
【０１０３】
また、本実施形態では暖房負荷がある場合について説明をしたが、暖房負荷を有しないコージェネレーション・システムの場合には、Qh(n)=0とおくことで、このモデルをそのまま適用することができる。
【０１０４】
また、本実施形態においては、ＦＣ用コントローラ６及び給湯用コントローラ１０をマイコンにより構成し、これらのマイコンでコージェネレーション・システムの出力制御プログラムを実行することにより、上記出力制御装置を実現する構成としてもよい。
【０１０５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、発電計画策定期間が終了した時点において、蓄熱装置に蓄熱される余剰熱量を極力少なくすることができるため、コージェネレーション・システムの省エネルギー性を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係るコージェネレーション・システムの構成図である。
【図２】本発明の実施形態１に係るコージェネレーション・システムの出力制御装置の構成を表すブロック図である。
【図３】本発明の実施形態１に係るコージェネレーション・システムの出力制御方法を表すフローチャートである。
【図４】発電計画策定期間内における負荷消費電力と仮発電量との関係の一例を表す図である。
【図５】１日の各時間帯における暖房負荷と給湯負荷の消費する熱量の一例を表す図である。
【図６】図４の電力消費及び図５の熱消費に対して仮ＦＣ発電量でＦＣを運転した場合の熱出力積算量と蓄熱量の時間変化を表す図である。
【図７】図４に示した各時間帯の仮ＦＣ発電量を修正して求められたＦＣ発電量を表す図である。
【図８】本発明の実施形態２に係るコージェネレーション・システムの出力制御装置の構成を表すブロック図である。
【図９】本実施形態に係るコージェネレーション・システムの出力制御方法を表すフローチャートである。
【図１０】図４、図５に示したような電力消費及び熱消費があった場合に図４に示した仮ＦＣ発電量を補正して得られる仮ＦＣ発電量を表す図である。
【符号の説明】
１ コージェネレーション・システム
２ 燃料電池（ＦＣ）
３ インバータ
４ 排熱熱交換器
５ 余剰電力ヒータ
６ ＦＣ用コントローラ
７ 暖房熱交換器
８ 成層式貯湯槽
９ 補助熱源
１０ 給湯用コントローラ
１１ 循環ポンプ
１２，１３ 電流センサ
１４ 熱媒循環ポンプ
１５ 流量センサ
１６，１７ａ〜１７ｅ，１８，１９，２０ 温度センサ
３０，３０’ 出力制御装置
３１ 負荷消費量予測手段
３２ 負荷記憶手段
３３ 仮発電量算出手段
３４ 熱出力算出手段
３５ 消費熱量算出手段
３６ 熱出力余剰係数算出手段
３７ 発電計画決定手段
３８ 運転計画記憶手段
３９ システム制御手段
４０ ＦＣ運転制御手段
４１ 消費電力検出手段
４２ 暖房負荷熱量検出手段
４３ 給湯負荷熱量検出手段
５１ 仮発電量補正手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、コージェネレーション装置が出力する電力及び熱を電力負荷、暖房負荷、及び給湯負荷で消費するコージェネレーション・システムにおいて、省エネ性を高めるようにコージェネレーション装置の出力制御を行う出力制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、クリーンなエネルギーとしてコージェネレーション・システムが注目されてきている。コージェネレーション・システムとは、電気と同時に有効に利用可能な熱を発生し、エネルギーを多段的に活用する省エネルギー・システムをいう。
【０００３】
現在のところ、一般家庭用のコージェネレーション・システムとしては、ガスエンジン・コージェネレーション・システムや燃料電池コージェネレーション・システム等が開発されており、一部は既に実用化されている。ガスエンジン・コージェネレーション・システムとは、コージェネレーション装置であるガスエンジン発電ユニットと排熱利用給湯暖房ユニットとから構成されたコージェネレーション・システムであり、電気を発電するガスエンジンから排出される排熱を排熱利用給湯暖房ユニットの主要な熱源とするものである。燃料電池コージェネレーション・システムとは、各家庭に供給されている都市ガスから燃料処理装置で水素を作り、この水素を使って、コージェネレーション装置である燃料電池で発電するとともに、発電等の際に発生する排熱を回収し、給湯や暖房に使用するものである。現在、燃料電池としては個体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）が開発されており、９０℃以下の低温で発電することが可能である。
【０００４】
このようなコージェネレーション・システムにおいては、いかにしてシステム全体の省エネルギー性を高めるかが重要な課題である。コージェネレーション装置は、エネルギーを電力と熱という形態で出力する。そして、この電力と熱の出力量は、コージェネレーション装置で消費されるエネルギー量により定まる。従って、コージェネレーション装置の発電量と出力熱量とを、それぞれ独立に調節することはできない。そのため、ある時間帯における電力需要と熱需要とのバランスが、コージェネレーション装置の発電量と出力熱量とのバランスに一致しない場合、余分な熱量は蓄熱装置に蓄熱し、後に熱需要が生じたときに蓄熱装置の熱を消費することにより調整がされる。しかしながら、蓄熱装置の蓄熱量が過剰となると、その熱量は有効に利用されないこととなる。そこで、コージェネレーション・システムの省エネルギー性を最大とするためのコージェネレーション装置の出力制御技術が必要とされる。
【０００５】
従来のコージェネレーション装置の出力制御技術としては、例えば、特許文献１に記載のものが知られている。特許文献１に記載のコージェネレーション・システムは、コージェネレーション装置、配電手段、配熱手段、計測手段、制御装置、記憶手段を有する。コージェネレーション装置は、電力と熱とを出力する。そして、この電力は配電手段が商用電源からの受電電力と合わせて施設に供給する。また、熱は、配熱手段が蓄熱した後に前記施設に供給する。計測手段は、施設に供給された電力及び熱を計測し、過去の施設の電力負荷実績及び熱負荷実績としてハードディスク等の記憶手段に記憶する。
【０００６】
このような、コージェネレーション・システムにおいて、まず、記憶手段に記憶された、過去の施設の電力負荷実績及び熱負荷実績から、運転計画の計画対象時期における施設の予測電力負荷及び予測熱負荷を予測する。次に、予測電力負荷に対してコージェネレーション装置の電主運転を行った場合の前記コージェネレーション装置の熱出力を導出する。ここで、「電主運転」とは、予測電力負荷において電力負荷がコージェネレーションの定格運転時の電力出力よりも充分大きい場合には定格運転を行い、それ以外の場合には常に電力出力が電力負荷よりも一定量小さくなる電力追従運転を行う運転方法をいう。
【０００７】
そして、予測熱負荷の計画対象時期における積算値である予測積算熱負荷と、熱出力の運転時間帯における積算値である積算熱出力とを比較して、計画対象時期においてコージェネレーション装置の電主運転を行う運転時間帯を決定する。すなわち、計画対象時期において、予測積算熱負荷と積算熱出力とが同等となるように、運転制御手段がコージェネレーション装置の電主運転を行う運転時間帯を決定する。
【０００８】
このようにしてコージェネレーション装置を電主運転することで、常に一定以上の電力を電力供給業者から受電するように電力出力が制御され、電力系統への逆潮流が防止される。それと同時に、コージェネレーション装置から出力された熱をできるだけ無駄無く施設で消費することができ、省エネルギー性や経済性を向上させることができる。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００３−６１２４５号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のコージェネレーション・システムの出力制御技術においては、電主運転を行う運転時間帯を決定するのみである。すなわち、決定された時間帯以外の時間帯においてはコージェネレーション装置を停止させ、商用電源からの給電により負荷消費電力を賄うとともに、一般の暖房機器や給湯機器により消費熱量を賄う。従って、電主運転を行う運転時間帯以外の時間帯においてはコージェネレーション・システムが有効に活用されていない。そのため、省エネルギー性を高めるためには、更に改善の余地が大きい。
【００１１】
また、実際には、コージェネレーション装置から出力される熱量は、一旦蓄熱された後に給湯負荷等に供給される。従って、この蓄熱中において放熱により熱の一部は失われ、実際に使用可能な熱量はコージェネレーション装置から出力される熱量よりも小さくなる。しかしながら、上記従来の出力制御技術においては、蓄熱中における放熱による熱損失の影響が考慮されていない。従って、コージェネレーション装置の出力制御を充分に最適化しているものとはいえない。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、総ての時間帯においてコージェネレーション・システムを使用して最大限の省エネルギー性を達成することを可能とするコージェネレーション・システムの出力制御技術を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るコージェネレーション・システムの出力制御装置の第１の構成は、発電により電力を出力するとともに発電に伴い生じる熱量を出力するコージェネレーション装置と、前記コージェネレーション装置が出力する電力を消費する電力負荷と、前記コージェネレーション装置が出力する熱量を蓄熱する蓄熱装置と、前記コージェネレーション装置が出力する排熱又は前記蓄熱装置に蓄熱された熱量を消費する給湯負荷と、を備えたコージェネレーション・システムにおいて、前記コージェネレーション装置の出力制御を行う出力制御装置であって、
発電計画策定期間内の各時間帯における前記電力負荷の消費電力量及び前記給湯負荷の消費熱量の予測値を記憶する負荷記憶手段と、
前記負荷記憶手段に記憶された前記電力負荷の消費電力量の予測値に基づき、前記コージェネレーション装置の運転方法であって、電力負荷の予測消費電力が前記コージェネレーション装置の最大発電量以下の場合には電力負荷の予測消費電力で発電を行い、電力負荷の予測消費電力が前記コージェネレーション装置の最大発電量を超える場合には前記コージェネレーション装置の最大発電量で発電を行う運転方法である電主運転により前記コージェネレーション装置を運転した場合の各時間帯における発電量である仮発電量を算出する仮発電量算出手段と、
前記発電計画策定期間内の各時間帯において前記コージェネレーション装置により前記仮発電量を発電した場合において、前記コージェネレーション装置が出力する熱量の積算値を算出する熱出力算出手段と、
前記発電計画策定期間内における前記給湯負荷の予測消費熱量の総てを賄うために供給することが必要とされる熱量である実質消費熱量を算出する消費熱量算出手段と、
前記実質消費熱量を前記熱出力算出手段が算出する熱量の積算値で除した値である熱出力余剰係数を算出する熱出力余剰係数算出手段と、
前記発電計画策定期間内の各時間帯における仮発電量に対して前記熱出力余剰係数を掛けることにより、各時間帯における前記コージェネレーション装置の発電量を算出する発電計画決定手段と、前記発電計画決定手段が算出した各時間帯における前記コージェネレーション装置の発電量が格納される運転計画記憶手段と、前記運転計画記憶手段に格納された各時間帯における前記コージェネレーション装置の発電量に基づいて前記コージェネレーション装置の発電出力の制御を行うシステム制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１４】
この構成により、発電計画策定期間内に給湯負荷で消費されることが予測される熱量の値と、同じ期間内にコージェネレーション装置が出力する熱量の値とが等しくなるように、コージェネレーション装置の発電量が決定される。そのため、発電計画策定期間が終了した時点において、蓄熱装置に蓄熱される余剰熱量を極力少なくすることができる。従って、コージェネレーション・システムの省エネルギー性を高めることが可能となる。
【００１５】
ここで、「蓄熱装置」としては、成層式貯湯槽、相変化を利用した潜熱式蓄熱槽等を使用することができる。
【００１６】
「電力負荷の消費電力量及び給湯負荷の消費熱量の予測値」としては、過去における電力負荷の消費電力量、及び給湯負荷の消費熱量の実績値又はこれらの実績値から導き出される値を使用することができる。「発電計画策定期間」とは、コージェネレーション装置の発電量の計画を策定する期間をいい、通常は１日とされるが、これに限るものではない。「時間帯」としては、所定の長さの時間区間のことをいう。「時間帯」の長さとしては、例えば１時間とされる。
【００１７】
負荷記憶手段が記憶する各々の予測値は、発電計画策定期間分の各時間帯における予測値であってもよい。しかし、１週間分の各曜日の各時間帯における予測値を負荷記憶手段が記憶させておくことが好ましい。通常は、一般家庭においては曜日によって生活時間帯が異なることから、曜日によって電力又は熱の消費時間帯が異なると考えられるからである。
【００１８】
「電主運転」とは、コージェネレーション装置の運転方法であって、電力負荷の予測消費電力がコージェネレーション装置の最大発電量以下の場合には電力負荷の予測消費電力で発電を行い、電力負荷の予測消費電力がコージェネレーション装置の最大発電量を超える場合にはコージェネレーション装置の最大発電量で発電を行う運転方法をいう。
【００１９】
また、本発明においては、各時間帯が経過するごとに、その経過した時間帯における前記電力負荷の消費電力量、及び前記給湯負荷の消費熱量（暖房負荷がある場合は、暖房負荷の消費熱量）の実績値に基づいて、前記負荷記憶手段に記憶された前記電力負荷の消費電力量、及び前記給湯負荷の消費熱量（暖房負荷がある場合は、前記暖房負荷の消費熱量）の予測値を更新する負荷消費量予測手段を備えた構成としてもよい。
【００２０】
これにより、負荷記憶手段に記憶された電力負荷の消費電力量、及び給湯負荷等の消費熱量の予測値には常に最新の実績値が反映されるため、これらの消費量の予測誤差を少なくすることができる。
【００２１】
この場合、負荷記憶手段に格納された電力負荷の消費電力量、及び給湯負荷の消費熱量（暖房負荷がある場合は、暖房負荷の消費熱量）の予測値を更新する場合には、これらの値を実績値により書き換えてもよいし、過去に負荷記憶手段に記憶されているこれらの値と実績値との加重平均を計算し、その加重平均によって予測値を更新する構成としてもよい。
【００２２】
本発明に係るコージェネレーション・システムの出力制御装置の第２の構成は、前記第１の構成において、前記コージェネレーション装置が出力する熱量の殆どが、蓄熱装置に蓄熱されることなく前記給湯負荷に消費されるか、又は蓄熱されてもその蓄熱時間が極めて短くなる程度に消費される場合と、前記コージェネレーション装置が出力する熱量の全部又は一部が蓄熱装置に蓄熱される場合のいずれであるかを判定するための閾値を、前記給湯負荷の消費熱量の予測値が超える時間帯よりも、該閾値以下の状態の前の時間帯における前記仮発電量を補正するための放熱補正係数を、前記蓄熱装置に蓄熱された熱が放熱により喪失する単位時間帯あたりの割合に、その後の時間帯の放熱補正係数を掛けることで算出し、算出された放熱補正係数に基づいて前記仮発電量を補正する仮発電量補正手段を備え、前記熱出力算出手段は、前記仮発電量補正手段により補正された前記仮発電量により前記発電計画策定期間内の各時間帯において前記コージェネレーション装置を運転した場合に、前記コージェネレーション装置が出力する熱量の積算値を算出すること
を特徴とする。
【００２３】
給湯負荷の熱消費が所定の閾値を超える時間帯では、コージェネレーション装置が出力する熱量の殆どが、蓄熱装置に蓄熱されることなく即刻消費されるか、又は蓄熱されてもその蓄熱時間は極めて短いと考えられる。従って、この時間帯では、蓄熱時の放熱の影響は考慮しなくてもよいと考えられる。しかし、給湯負荷の熱消費が所定の閾値以下の時間帯では、コージェネレーション装置が出力する熱量の全部又は一部は、給湯負荷の熱消費が所定の閾値を超える時間帯に達するまで、ある程度長時間にわたって蓄熱装置に蓄熱されると考えられる。従って、この時間帯では、蓄熱時の放熱の影響が顕著になると考えられる。
【００２４】
そこで、仮発電量を決定する場合、給湯負荷の熱消費が所定の閾値を超える時間帯では、電力負荷の予測消費電力に従った電主運転による発電量が決定される。一方、給湯負荷の熱消費が所定の閾値以下の時間帯では、電力負荷の予測消費電力に対して、蓄熱装置に蓄熱された熱が放熱により喪失する割合に比例する放熱補正係数を掛けることにより仮発電量が決定される。従って、給湯負荷の熱消費が所定の閾値を超える時間帯に達するまでの時間が長いほど、電力負荷の予測消費電力に対する仮発電量の比が小さくなる。
【００２５】
すなわち、給湯負荷の熱消費が所定の閾値を超える時間帯に達するまでの時間が長いほどコージェネレーション装置の発電量を抑え、余剰な熱量が極力出力されないように調節される。従って、蓄熱装置における放熱損失を極力抑えることが可能となり、コージェネレーション・システムの省エネルギー性が高められる。
【００２６】
本発明に係るコージェネレーション・システムの出力制御装置の第３の構成は、前記第１又は２の構成において、前記仮発電量算出手段、前記熱出力算出手段、前記消費熱量算出手段、前記熱出力余剰係数算出手段、及び前記発電計画決定手段は、各時間帯が経過するごとに、その時点を始点とする発電計画策定期間内の各時間帯における前記コージェネレーション装置の発電量を算出し直すことを特徴とする。
【００２７】
この構成により、各時間帯が経過するごとに、経過した時間帯で蓄熱装置に蓄熱されている実際の蓄熱量を用いて、その後の時間帯において予定されるコージェネレーション装置の発電量が修正される。そのため、予測される給湯負荷の消費熱量と実際の消費熱量とが異なり、予測された蓄熱量に誤差が生じた場合でも、各時間帯が経過するごとにリアルタイムに予測が修正され、それ以降の時間帯のコージェネレーション装置の発電量が計算し直される。従って、上記予測誤差の影響が小さくなるため、コージェネレーション・システムの省エネルギー性を高めることが可能となる。
【００２８】
本発明に係るコージェネレーション・システムの出力制御装置の第４の構成は、前記第１乃至３の何れか一の構成において、前記コージェネレーション・システムは、前記コージェネレーション装置が出力する熱量を消費する暖房負荷を備えており、前記消費熱量算出手段は、前記発電計画策定期間内における前記給湯負荷及び前記暖房負荷の予測消費熱量の総てを賄うために供給することが必要とされる熱量を実質消費熱量として算出することを特徴とする。
【００２９】
この構成により、コージェネレーション装置が出力する熱量が暖房負荷において消費される場合であっても、暖房負荷による熱消費により蓄熱量が低くなる影響を考慮してコージェネレーション装置の発電量が決定される。従って、暖房負荷を有するコージェネレーション・システムの省エネルギー性を高めることが可能となる。
【００３０】
本発明に係るコージェネレーション・システムの出力制御方法の第１の構成は、発電により電力を出力するとともに発電に伴い生じる熱量を出力するコージェネレーション装置と、前記コージェネレーション装置が出力する電力を消費する電力負荷と、前記コージェネレーション装置が出力する熱量を蓄熱する蓄熱装置と、前記コージェネレーション装置が出力する排熱又は前記蓄熱装置に蓄熱された熱量を消費する給湯負荷と、発電計画策定期間内の各時間帯における前記電力負荷の消費電力量及び前記給湯負荷の消費熱量の予測値を記憶する負荷記憶手段と、を備えたコージェネレーション・システムにおいて、前記コージェネレーション装置の出力制御を行う出力制御方法であって、前記負荷記憶手段に記憶された前記電力負荷の消費電力量の予測値に基づき、前記コージェネレーション装置の運転方法であって、電力負荷の予測消費電力が前記コージェネレーション装置の最大発電量以下の場合には電力負荷の予測消費電力で発電を行い、電力負荷の予測消費電力が前記コージェネレーション装置の最大発電量を超える場合には前記コージェネレーション装置の最大発電量で発電を行う運転方法である電主運転により前記コージェネレーション装置を運転した場合の各時間帯における発電量である仮発電量を算出する仮発電量算出手順、前記発電計画策定期間内の各時間帯において前記コージェネレーション装置により前記仮発電量を発電した場合において、前記コージェネレーション装置が出力する熱量の積算値を算出する熱出力算出手順、前記発電計画策定期間内における前記給湯負荷の予測消費熱量の総てを賄うために供給することが必要とされる熱量である実質消費熱量を算出する消費熱量算出手順、前記実質消費熱量を前記熱出力算出手段が算出する熱量の積算値で除した値である熱出力余剰係数を算出する熱出力余剰係数算出手順、及び、前記発電計画策定期間内の各時間帯における仮発電量に対して前記熱出力余剰係数を掛けることにより、各時間帯における前記コージェネレーション装置の発電量を算出して、運転計画記憶手段に格納する発電計画決定手順、前記運転計画記憶手段に格納された各時間帯における前記コージェネレーション装置の発電量に基づいて前記コージェネレーション装置の発電出力の制御を行うシステム制御手順、を有していることを特徴とする。
【００３１】
これにより、上述の通り、発電計画策定期間が終了した時点における蓄熱装置の蓄熱量を極力少なくすることができ、コージェネレーション・システムの省エネルギー性を高めることが可能となる。
【００３２】
本発明に係るコージェネレーション・システムの出力制御方法の第２の構成は、前記第１の構成において、前記仮発電量算出手順において算出された前記仮発電量のうち、前記給湯負荷の消費熱量の予測値が、前記コージェネレーション装置が出力する熱量の殆どが、蓄熱装置に蓄熱されることなく前記給湯負荷に消費されるか、又は蓄熱されてもその蓄熱時間が極めて短くなる程度に消費される場合と、前記コージェネレーション装置が出力する熱量の全部又は一部が蓄熱装置に蓄熱される場合のいずれであるかを判定するための閾値を超える時間帯よりも、該閾値以下の状態の前の時間帯における前記仮発電量を補正するための放熱補正係数を、前記蓄熱装置に蓄熱された熱が放熱により喪失する単位時間帯あたりの割合に、その後の時間帯の放熱補正係数を掛けることで算出し、算出された放熱補正係数に基づいて前記仮発電量を補正する仮発電量補正手順を有し、前記熱出力算出手順においては、前記仮発電量補正手段により補正された前記仮発電量により前記発電計画策定期間内の各時間帯において前記コージェネレーション装置を運転した場合に、前記コージェネレーション装置が出力する熱量の積算値を算出することを特徴とする。
【００３３】
これにより、上述の通り、蓄熱装置における蓄熱時の放熱損失の影響も考慮してコージェネレーション装置の発電量の計画が立てられるため、蓄熱装置における放熱損失を極力抑えることが可能となり、コージェネレーション・システムの省エネルギー性が高められる。
【００３４】
本発明に係るコージェネレーション・システムの出力制御方法の第３の構成は、前記第１又は２の構成において、各時間帯が経過するごとに、その時点を始点とする発電計画策定期間内の各時間帯における前記コージェネレーション装置の発電量を算出し直すことを特徴とする。
【００３５】
これにより、上述の通り、予測される給湯負荷の消費熱量と実際の消費熱量とが異なり、予測された蓄熱量に誤差が生じた場合でも、各時間帯が経過するごとにリアルタイムに予測が修正される。そのため、上記予測誤差の影響が小さくなるため、コージェネレーション・システムの省エネルギー性を高めることが可能となる。
【００３６】
本発明に係るコージェネレーション・システムの出力制御方法の第４の構成は、前記第１乃至３の何れか一の構成において、前記コージェネレーション・システムは、前記コージェネレーション装置が出力する熱量を消費する暖房負荷を備えており、前記消費熱量算出手順においては、前記発電計画策定期間内における前記給湯負荷及び前記暖房負荷の予測消費熱量の総てを賄うために供給することが必要とされる熱量を実質消費熱量として算出することを特徴とする。
【００３７】
これにより、上述の通り、暖房負荷を有するコージェネレーション・システムの省エネルギー性を高めることが可能となる。
【００３８】
本発明に係るコージェネレーション・システムの出力制御プログラムの第１の構成は、発電により電力を出力するとともに発電に伴うに生じる熱量を出力するコージェネレーション装置と、前記コージェネレーション装置が出力する電力を消費する電力負荷と、前記コージェネレーション装置が出力する熱量を蓄熱する蓄熱装置と、前記コージェネレーション装置が出力する排熱又は前記蓄熱装置に蓄熱された熱量を消費する給湯負荷と、前記コージェネレーション装置の制御を行うコンピュータと、を備えたコージェネレーション・システムにおいて、前記コンピュータに読み込ませて実行することにより、前記コンピュータを請求項１乃至３の何れか一に記載の出力制御装置として動作させることを特徴とする。
【００３９】
本発明に係るコージェネレーション・システムの出力制御プログラムの第２の構成は、発電により電力を出力するとともに発電に伴うに生じる熱量を出力するコージェネレーション装置と、前記コージェネレーション装置が出力する電力を消費する電力負荷と、前記コージェネレーション装置が出力する熱量を消費する暖房負荷と、前記コージェネレーション装置が出力する熱量を蓄熱する蓄熱装置と、前記コージェネレーション装置が出力する排熱又は前記蓄熱装置に蓄熱された熱量を消費する給湯負荷と、前記コージェネレーション装置の制御を行うコンピュータと、を備えたコージェネレーション・システムにおいて、前記コンピュータに読み込ませて実行することにより、前記コンピュータを請求項４記載の出力制御装置として動作させることを特徴とする。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１に係るコージェネレーション・システムの構成図である。本実施形態に係るコージェネレーション・システム１は、主要な構成として、燃料電池（fuel cell。以下、「ＦＣ」という。）２、インバータ３、排熱熱交換器４、余剰電力ヒータ５、ＦＣ用コントローラ６、暖房熱交換器７、成層式貯湯槽８、補助熱源９、給湯用コントローラ１０を有している。
【００４１】
ＦＣ２には、燃料である天然ガスと空気とが供給される。ＦＣ２は、供給された天然ガスから水素を創り出し水素及び空気から発電を行うとともに、発電時に発生する熱（以下、「排熱」という。）を出力する。インバータ３には、ＦＣ２から出力される電気と商用電源から送電される電気とが入力される。そして、インバータ３は、電力負荷で要求される電力に応じて、ＦＣ２から出力される電力を施設内の電気機器等の電力負荷に供給する。尚、電力負荷で要求される電力に対してＦＣ２から出力される電力が不足している場合には、インバータ３は、不足分に対しては商用電源から供給される電力で賄う。
【００４２】
ＦＣ２において発電時に発生する排熱は、ＦＣ２の冷却水により取り出される。この冷却水により取り出された排熱は、排熱熱交換器４において、蓄熱装置である成層式貯湯槽８から供給される循環水と熱交換される。この循環水は、循環ポンプ１１により成層式貯湯槽８の下部から取り出され、排熱熱交換器４に送られる。排熱熱交換器４において排熱が供給された循環水は、余剰電力ヒータ５及び暖房熱交換器７を経て成層式貯湯槽８の上部に戻される。
【００４３】
ＦＣ用コントローラ６は、電流センサ１２により電力負荷に供給される電流を検出するとともに、電流センサ１３により商用電源から供給される電流を検出する。これにより、ＦＣ用コントローラ６は、電力負荷において消費された電力及び商用電源から供給された電力を検出することができる。
【００４４】
ＦＣ２が出力する電力が電力負荷から要求される電力よりも大きい場合、ＦＣ２から商用電源側に電力の逆潮流が生じる。ＦＣ用コントローラ６は、このような電力の逆潮流を防ぐため、電流センサ１３で検出される電流値が所定の閾値以上となった場合には、インバータ３の出力する電力の一部を電熱変換装置である余剰電力ヒータ５に回す。そして、余剰電力ヒータ５において余剰な電力を消費させ、ＦＣ２から商用電源側への電力の逆潮流を防止する。余剰電力ヒータ５は、供給される電力を熱に変換し、電熱変換により発生する熱を、循環水に供給する。これにより、余剰電力は循環水により熱として回収される。
【００４５】
暖房熱交換器７は、循環水に供給された熱を、暖房機器等の暖房負荷（図示せず。）に循環される熱媒体に熱交換する。暖房負荷の熱媒体は、熱媒循環ポンプ１４により暖房負荷から暖房熱交換器７に送られた後、補助熱源９を通って再び暖房負荷に戻される。
【００４６】
成層式貯湯槽８は、上部から下部にかけて高温から低温となるような温度勾配を有する温湯が貯湯されている。台所、風呂等の給湯負荷へ温湯を供給する場合には、成層式貯湯槽８の上層の温湯が、補助熱源９を介して送水される。そして、給湯による成層式貯湯槽８内の水の減少分は、成層式貯湯槽８の底部からの給水により補われる。この給水量は、流量センサ１５により検出される。また、給水時の水の温度は、温度センサ１６により検出される。
【００４７】
成層式貯湯槽８には、垂直方向に複数の温度センサ１７ａ〜１７ｅが設けられている。この温度センサ１７ａ〜１７ｅによって、成層式貯湯槽８内に貯湯された温湯の各層の温度を検出することができる。
【００４８】
また、暖房負荷からの戻り配管及び往き配管には、熱媒体の温度を検出する温度センサ１８，１９が設けられている。更に、給湯負荷への給湯用配管には、給湯温度を検出する温度センサ２０が設けられている。
【００４９】
給湯用コントローラ１０は、温度センサ１６，１７ａ〜１７ｅ，１８，１９，２０により検出される温度、流量センサ１５により検出される給水量、補助熱源９により発生した熱量、熱媒循環ポンプ１４の熱媒循環流量等から、暖房負荷や給湯負荷において実際に消費された熱量や成層式貯湯槽８における放熱損失を検出する。また、ＦＣ用コントローラ６と給湯用コントローラ１０とは協働して、コージェネレーション・システム１の制御を行う。
【００５０】
図２は本発明の実施形態１に係るコージェネレーション・システムの出力制御装置の構成を表すブロック図である。
【００５１】
本実施形態に係る出力制御装置３０は、ＦＣ用コントローラ６及び給湯器用コントローラ１０が協働することにより実現されている。出力制御装置３０は、負荷消費量予測手段３１、負荷記憶手段３２、仮発電量算出手段３３、熱出力算出手段３４、消費熱量算出手段３５、熱出力余剰係数算出手段３６、発電計画決定手段３７、運転計画記憶手段３８、及びシステム制御手段３９を有している。
【００５２】
負荷消費量予測手段３１は、消費電力検出手段４１により検出される電力負荷の電力消費量、暖房負荷熱量検出手段４２によって検出される暖房負荷の消費熱量、及び給湯負荷熱量検出手段４３により検出される給湯負荷の消費熱量に基づいて、１日の各時間帯ｎ（ｎ∈｛０，１，…，２３｝。但し、時間帯ｎとは、n時〜n+1時までの時間帯を表す。）における電力負荷、暖房負荷、及び給湯負荷の消費電力又は消費熱量の予測値Wp(n)，Qh(n)，Qs(n)を決定し、負荷記憶手段３２に記憶する。ここで、消費電力検出手段４１は、電流センサ１２，１３により実現されている。暖房負荷熱量検出手段４２は、温度センサ１８，１９及び給湯用コントローラ１０により実現されている。また、給湯負荷熱量検出手段４３は、温度センサ１６，２０及び流量センサ１５により実現されている。
【００５３】
仮発電量算出手段３３は、発電計画策定期間内の各時間帯における仮発電量を算出する。ここでの、「仮発電量」とは、負荷記憶手段３２に記憶された電力負荷の消費電力量の予測値に基づいて、電主運転によりＦＣ２を運転した場合の各時間帯における発電量をいう。また、本実施形態においては発電計画策定期間は２４時間とされている。熱出力算出手段３４は、発電計画策定期間内の各時間帯において、ＦＣ２により仮発電量を発電した場合において、ＦＣ２が出力する熱量の積算値（以下、「総仮発電量」という。）を算出する。
【００５４】
消費熱量算出手段３５は、実質消費熱量の計算を行う。ここでの、「実質消費熱量」とは、発電計画策定期間内における暖房負荷及び給湯負荷の予測消費熱量の総てを賄うために供給することが必要とされる熱量をいう。熱出力余剰係数算出手段３６は、熱出力余剰係数の計算を行う。ここで、「熱出力余剰係数」とは、実質消費熱量を総仮発電量で除した値をいう。
【００５５】
発電計画決定手段３７は、発電計画策定期間内の各時間帯における仮発電量に対して熱出力余剰係数を掛けることにより、各時間帯におけるＦＣ２の発電量を算出し、これらを運転計画記憶手段３８に記憶させる。
【００５６】
システム制御手段３９は、コージェネレーション・システム１のＦＣ２、インバータ３、余剰電力ヒータ５、補助熱源９、循環ポンプ１１、熱媒循環ポンプ１４等の運転制御を行う。このシステム制御手段３９は、ＦＣ運転制御手段４０を有している。ＦＣ運転制御手段４０は、運転計画記憶手段３８に格納された１日の発電出力｛Wp(n)；n=0,…,23｝に従ってＦＣ２の発電出力の制御を行う。
【００５７】
以上のように構成された本実施形態に係るコージェネレーション・システムの出力制御装置において、以下その動作を説明する。
【００５８】
図３は本発明の実施形態１に係るコージェネレーション・システムの出力制御方法を表すフローチャートである。
【００５９】
まず、熱出力余剰係数算出手段３６は、内部変数として有している給湯負荷熱量積算値Qstot及び暖房負荷熱量積算値Qhtotの値を０に設定する（Ｓ１）。ここで、給湯負荷熱量積算値Qstotは、発電計画策定期間内における給湯負荷の消費熱量{Qs(n); n∈{0,1,…,23}}の積算値を表す変数である。また、暖房負荷熱量積算値Qhtotは、発電計画策定期間内における暖房負荷の消費熱量{Qh(n); n∈{0,1,…,23}}の積算値を表す変数である。尚、ｎは時間帯を表す。また、給湯負荷消費熱量{Qs(n); n∈{0,1,…,23}}、暖房負荷消費熱量{Qh(n); n∈{0,1,…,23}}の値は、負荷記憶手段３２に記憶されている。
【００６０】
次に、出力制御装置３０は、時間帯を表す変数ｎの値を０に設定する（Ｓ２）。そして、仮発電量算出手段３３は、負荷記憶手段３２から時間帯ｎにおける負荷消費電力Wp(n)を読み出して、この負荷消費電力Wp(n)の値が最大ＦＣ発電量Wpmaxの値よりも小さいか否かを判定する（Ｓ３）。ここで、「最大ＦＣ発電量」とは、ＦＣ２が単位時間帯あたり発電することが可能な電力量の最大値をいう。
【００６１】
ここで、Wp(n)<Wpmaxの場合、仮発電量算出手段３３は、仮発電量Wfc'(n)の値を負荷消費電力Wp(n)の値に設定する（Ｓ４）。また、ステップＳ３においてWp(n)≧Wpmaxの場合、仮発電量算出手段３３は、仮発電量Wfc'(n)の値を最大ＦＣ発電量Wpmaxの値に設定する（Ｓ５）。
【００６２】
図４は発電計画策定期間内における負荷消費電力と仮発電量との関係の一例を表す図である。図４から分かるように、時間帯ｎにおける負荷消費電力Wp(n)が最大ＦＣ発電量Wpmaxよりも小さい場合には、仮発電量Wfc'(n)の値は負荷消費電力Wp(n)の値に追随して定まる。しかし、負荷消費電力Wp(n)が最大ＦＣ発電量Wpmax以上の場合には、ＦＣ２は最大ＦＣ発電量Wpmax以上の電力量は発電することができないので、仮発電量Wfc'(n)の値は最大ＦＣ発電量Wpmaxの値に定まる。
【００６３】
図３の説明に戻って、次に、熱出力算出手段３４は、得られた時間帯ｎにおける仮発電量Wfc'(n)の値から、ＦＣ２が時間帯ｎに排熱する熱量（以下、「ＦＣ排熱量」という。）Qe(n)の計算を行う。すなわち、まず、ＦＣ２が時間帯ｎに消費するガス量（以下、「ＦＣ消費ガス量」という。）Qfc(n)を、（数１）により計算する（Ｓ６）。ここで、ＦＣ２の発電効率をεefcとした。
【数１】
そして、ＦＣ消費ガス量Qfc(n)の値から、ＦＣ排熱量Qe(n)の値を（数２）により算出する（Ｓ７）。ここで、hfcはＦＣ２及び排熱熱交換器４の熱効率（以下、「ＦＣ熱効率」という。）を表す。
【数２】
次に、時間帯ｎの値が０の場合には（Ｓ８）、熱出力算出手段３４は熱出力積算量Qout(0)の値をＦＣ排熱量Qe(0)の値に設定し（Ｓ９）、成層式貯湯槽８の蓄熱量Qheap(0)の値をQheap0+Qe(0)-Qs(0)-RhQh(0)に設定する（Ｓ１０）。ここで、Qheap0は、時間帯０の開始時刻における成層式貯湯槽８内の蓄熱量を表す。
【００６６】
一方、ステップＳ８において時間帯ｎの値が０でない場合には、熱出力算出手段３４は熱出力積算量Qout(n)の値を、前の時間帯ｎ−１の熱出力積算量Qout(n-1)の値にＦＣ排熱量Qe(n)の値を加えた値に設定し（Ｓ１１）、成層式貯湯槽８の蓄熱量Qheap(n)の値をQheap(n-1)+Qe(n)-Qs(n)-RhQh(n)に設定する（Ｓ１２）。
【００６７】
そして、熱出力余剰係数算出手段３６は、給湯負荷熱量積算値Qstotの値に給湯負荷消費熱量Qs(n)の値を加え、暖房負荷熱量積算値Qhtotの値に暖房負荷消費熱量Qh(n)の値を加える（Ｓ１３）。
【００６８】
以上の、ステップＳ３〜Ｓ１３までの動作を、時間帯ｎの値を１ずつ繰り上げながら、ｎが２３となるまで繰り返す（Ｓ１４）。これにより、仮ＦＣ発電量{Wfc'(n); n=0,…,23}、熱出力積算量{Qout(n); n=0,…,23}、及び成層式貯湯槽８の蓄熱量{Qheap(n) ; n=0,…,23}の値と給湯負荷熱量積算値Qstot及び暖房負荷熱量積算値Qhtotの値が求められる。
【００６９】
図５は１日の各時間帯における暖房負荷と給湯負荷の消費する熱量の一例を表す図であり、図６は図４の電力消費及び図５の熱消費に対して仮ＦＣ発電量でＦＣを運転した場合の熱出力積算量と蓄熱量の時間変化を表す図である。図５，図６より、大きな給湯負荷、暖房負荷による熱消費が予測される時間帯（ｎ＝１８〜２２の時間帯）まで、ＦＣ２の排熱を成層式貯湯槽８に蓄熱される。そして、大きな熱消費が予測される時間帯において、成層式貯湯槽８に蓄熱された熱量は一気に消費され、蓄熱量が減少することが分かる。このとき、最終の時間帯ｎ＝２３において総ての蓄熱量が消費されない場合には、この蓄熱量は翌日に持ち越される。しかし、成層式貯湯槽８に蓄熱される期間が長くなると、放熱により熱量が失われるため、コージェネレーション・システムの省エネルギー性が低くなる。従って、最終の時間帯ｎ＝２３における蓄熱量を最小にするように、ＦＣ２の発電量を制御することを目標とする。
【００７０】
図３の説明に戻って、次に、熱出力余剰係数算出手段３６は、（数３）により、有効利用率ηuseを計算し（Ｓ１５）、（数４）により熱出力余剰係数γoverを計算する（Ｓ１６）。ここで、「有効利用率」とは、ＦＣ２が出力するＦＣ排熱量Qe(n)に対する有効に消費される熱量の比を表し、熱の有効活用の度合いを表す評価基準である。
【数３】
最後に、発電計画決定手段３７は、各時間帯において（数５）の計算を行うことにより、発電計画策定期間内における各時間帯ｎのＦＣ２の発電量Wfc(n)を決定し、運転計画記憶手段３８に記憶させる（Ｓ１７〜Ｓ１９）。
【数５】
図７は図４に示した各時間帯の仮ＦＣ発電量を修正して求められたＦＣ発電量を表す図である。図７より、各時間帯において予測される電力消費量に対してＦＣ発電量は小さくなる。従って、不足分の電力は、商用電源により賄われる。
【００７３】
ＦＣ運転制御手段４０は、運転計画記憶手段３８に記憶された発電量Wfc(n)の値に従って、各時間帯においてＦＣ２の発電量の制御を行う。これにより、発電計画策定期間の終了時に成層式貯湯槽８に蓄熱されている蓄熱量を最小限に抑えることができる。従って、成層式貯湯槽８における放熱損失を極力抑え、コージェネレーション・システムの省エネルギー性を高めることが可能である。
【００７４】
尚、本実施形態においては、発電計画決定手段３７による発電計画策定期間内における各時間帯ｎの発電量Wfc(n)を決定し、１日のうちの決められた時間（例えば、０時）において行うように構成してもよい。
【００７５】
しかし、実際には予測された給湯消費熱量や暖房消費熱量と、実際に消費される給湯消費熱量や暖房消費熱量との間には誤差が生じる。そこで、各時間帯が経過するごとに、その時刻を機転として、発電計画策定期間内の各時間帯ｎの発電量Wfc(n)を決定し直すようにしてもよい。
【００７６】
また、本実施形態では暖房負荷がある場合について説明をしたが、暖房負荷を有しないコージェネレーション・システムの場合には、Qh(n)=0とおくことで、このモデルをそのまま適用することができる。
【００７７】
また、本実施形態においては、ＦＣ用コントローラ６及び給湯用コントローラ１０をマイコンにより構成し、これらのマイコンでコージェネレーション・システムの出力制御プログラムを実行することにより、上記出力制御装置を実現する構成としてもよい。
【００７８】
（実施形態２）
図８は本発明の実施形態２に係るコージェネレーション・システムの出力制御装置の構成を表すブロック図である。
【００７９】
図８において、負荷消費量予測手段３１、負荷記憶手段３２、仮発電量算出手段３３、熱出力算出手段３４、消費熱量算出手段３５、熱出力余剰係数算出手段３６、発電計画決定手段３７、運転計画記憶手段３８、システム制御手段３９、及びＦＣ運転制御手段４０は、実施形態１のものと同様であるので説明は省略する。
【００８０】
本実施形態に係る出力制御装置３０’は、仮発電量補正手段５１を新たに備えたことを特徴としている。仮発電量補正手段５１は、給湯負荷の消費熱量の予測値Qs(n)が、所定の閾値（以下、「放熱補正閾値」という。）Qsthを超える時間帯ｎよりも前の時間帯ｍにおける仮発電量Qfc'(m)に対しては、成層式貯湯槽８に蓄熱された熱が放熱により喪失する割合に比例する放熱補正係数γrad(m)を掛けることにより、仮発電量Qfc'(m)の補正を行う。そして、熱出力算出手段３４は、仮発電量補正手段５１により補正された仮発電量により、発電計画策定期間内の各時間帯においてＦＣ２を運転した場合に、ＦＣ２が出力する熱量の積算値を算出する。
【００８１】
以上のように構成された本実施形態に係るコージェネレーション・システムの出力制御装置において、以下その動作を説明する。
【００８２】
図９は本実施形態に係るコージェネレーション・システムの出力制御方法を表すフローチャートである。
【００８３】
まず、熱出力余剰係数算出手段３６は、内部変数として有している給湯負荷熱量積算値Qstot及び暖房負荷熱量積算値Qhtotの値を０に設定する（Ｓ３１）。
【００８４】
次に、出力制御装置３０’は、時間帯を表す変数ｎの値を０に設定する（Ｓ３２）。そして、仮発電量算出手段３３は、負荷記憶手段３２から時間帯ｎにおける負荷消費電力Wp(n)を読み出して、この負荷消費電力Wp(n)の値が最大ＦＣ発電量Wpmaxの値よりも小さいか否かを判定する（Ｓ３３）。
【００８５】
Wp(n)<Wpmaxの場合、仮発電量算出手段３３は、仮発電量Wfc'(n)の値を負荷消費電力Wp(n)の値に設定する（Ｓ３４）。また、ステップＳ３３においてWp(n)≧Wpmaxの場合、仮発電量算出手段３３は、仮発電量Wfc'(n)の値を最大ＦＣ発電量Wpmaxの値に設定する（Ｓ３５）。
【００８６】
そして、熱出力余剰係数算出手段３６は、給湯負荷熱量積算値Qstotの値に給湯負荷消費熱量Qs(n)の値を加え、暖房負荷熱量積算値Qhtotの値に暖房負荷消費熱量Qh(n)の値を加える（Ｓ３６）。
【００８７】
以上の、ステップＳ３３〜Ｓ３６までの動作を、時間帯ｎの値を１ずつ繰り上げながら、ｎが２３となるまで繰り返す（Ｓ３７）。これにより、仮ＦＣ発電量{Wfc'(n); n=0,…,23}の値と給湯負荷熱量積算値Qstot及び暖房負荷熱量積算値Qhtotの値が求められる。仮ＦＣ発電量の値は、例えば、図４のようになる。
【００８８】
次に、仮発電量補正手段５１は、給湯終了時検出フラグflgの値を０に設定する（Ｓ３８）。給湯終了時検出フラグflgとは、発電計画策定期間内において、ある時間帯以降の総ての時間帯において放熱補正閾値Qsthを超える給湯熱量消費があるか否かを判定するためのフラグである。ある時間帯においてflg=0の場合には、その時間帯以降の時間帯においては放熱補正閾値Qsthを超える給湯熱量消費がないことを表す。
【００８９】
次に、出力制御装置３０’は、時間帯を表す変数ｎの値を発電計画策定期間の最後の時間帯ｎ＝２３に設定する（Ｓ３９）。そして、仮発電量補正手段５１は、時間帯ｎにおける給湯負荷熱量Qs(n)の値が放熱補正閾値Qsthを超えているか否かを判定する（Ｓ４０）。
【００９０】
Qs(n)≦Qsthの場合には、次に、仮発電量補正手段５１は、給湯終了時検出フラグflgの値が０であるか否かを判定する（Ｓ４１）。ここで、flg=0であれば、仮発電量補正手段５１は放熱補正係数γrad(n)の値を給湯終了後の放熱補正係数γrad0に設定する（Ｓ４２）。ここで、給湯終了後の放熱補正係数γrad0の値は、１未満のできるだけ小さい値のほうがよいが、ここでは、γrad0=0.5であるとする。一方、ステップＳ４１において、flg≠0である場合には、仮発電量補正手段５１は放熱補正係数γrad(n)の値を、その後の時間帯ｎ＋１の放熱補正係数γrad(n+1)に放熱係数ｒを掛けた値に設定する（Ｓ４５）。ここで、「放熱係数」とは、成層式貯湯槽８に蓄熱された熱量が単位時間帯あたりに喪失する割合を表す。
【００９１】
一方、ステップＳ４０において、Qs(n)>Qsthの場合には、仮発電量補正手段５１は、給湯終了時検出フラグflgの値を１に設定する（Ｓ４３）。そして、放熱補正係数γrad(n)の値を１．０に設定する（Ｓ４４）。
【００９２】
以上のステップＳ４０〜Ｓ４５の動作を、ｎの値を１づつ繰り下げながら、ｎが０になるまで実行する。これにより、仮ＦＣ発電量{Wfc'(n); n=0,…,23}の値は、成層式貯湯槽８における放熱損失が大きくなる時間帯では小さめに補正され、成層式貯湯槽８における放熱損失が殆どない時間帯ではそのままの値とされる。
【００９３】
図１０は図４、図５に示したような電力消費及び熱消費があった場合に図４に示した仮ＦＣ発電量を補正して得られる仮ＦＣ発電量を表す図である。図１０から分かるように、大きな給湯負荷の熱消費がある以前の時間帯では、大きな給湯負荷の熱消費があるまでの時間間隔が長いほど仮ＦＣ発電量の値は小さめに補正されていることが分かる。
【００９４】
図９の説明に戻って、次に、出力制御装置３０’は、時間帯を表す変数ｎの値を発電計画策定期間の最後の時間帯ｎ＝０に設定する（Ｓ４８）。次に、熱出力算出手段３４は、得られた時間帯ｎにおける仮発電量Wfc'(n)の値から、ＦＣ排熱量Qe(n)の計算を行う。すなわち、まず、ＦＣ消費ガス量Qfc(n)を、（数１）により計算する（Ｓ４９）。そして、ＦＣ消費ガス量Qfc(n)の値から、ＦＣ排熱量Qe(n)の値を（数２）により算出する（Ｓ５０）。
【００９５】
次に、時間帯ｎの値が０の場合には（Ｓ５１）、熱出力算出手段３４は熱出力積算量Qout(0)の値をＦＣ排熱量Qe(0)の値に設定し（Ｓ５２）、成層式貯湯槽８の蓄熱量Qheap(0)の値をQheap0+Qe(0)-Qs(0)-RhQh(0)に設定する（Ｓ５３）。
【００９６】
一方、ステップＳ５１において時間帯ｎの値が０でない場合には、熱出力算出手段３４は熱出力積算量Qout(n)の値を、前の時間帯ｎ−１の熱出力積算量Qout(n-1)の値にＦＣ排熱量Qe(n)の値を加えた値に設定し（Ｓ５４）、成層式貯湯槽８の蓄熱量Qheap(n)の値をQheap(n-1)+Qe(n)-Qs(n)-RhQh(n)に設定する（Ｓ５５）。
【００９７】
以上の、ステップＳ４９〜Ｓ５５までの動作を、時間帯ｎの値を１ずつ繰り上げながら、ｎが２３となるまで繰り返す（Ｓ５６）。これにより、熱出力積算量{Qout(n); n=0,…,23}、及び成層式貯湯槽８の蓄熱量{Qheap(n) ; n=0,…,23}の値と給湯負荷熱量積算値Qstot及び暖房負荷熱量積算値Qhtotの値が求められる。
【００９８】
次に、熱出力余剰係数算出手段３６は、（数３）により、有効利用率ηuseを計算し（Ｓ５７）、（数４）により熱出力余剰係数γoverを計算する（Ｓ５８）。
【００９９】
最後に、発電計画決定手段３７は、各時間帯において（数５）の計算を行うことにより、発電計画策定期間内における各時間帯ｎのＦＣ２の発電量Wfc(n)を決定し、運転計画記憶手段３８に記憶させる（Ｓ５９〜Ｓ６１）。
【０１００】
以上のように、本実施形態によれば、成層式貯湯槽８に蓄熱された蓄熱量が放熱により失われる放熱損失の量を考慮した形で、ＦＣ発電量{Wfc(n)}の最適化が図られる。従って、コージェネレーション・システムの省エネルギー性を、更に高めることが可能となる。
【０１０１】
尚、本実施形態においては、発電計画決定手段３７による発電計画策定期間内における各時間帯ｎの発電量Wfc(n)を決定し、１日のうちの決められた時間（例えば、０時）において行うように構成してもよい。
【０１０２】
しかし、実際には予測された給湯消費熱量や暖房消費熱量と、実際に消費される給湯消費熱量や暖房消費熱量との間には誤差が生じる。そこで、各時間帯が経過するごとに、その時刻を機転として、発電計画策定期間内の各時間帯ｎの発電量Wfc(n)を決定し直すようにしてもよい。
【０１０３】
また、本実施形態では暖房負荷がある場合について説明をしたが、暖房負荷を有しないコージェネレーション・システムの場合には、Qh(n)=0とおくことで、このモデルをそのまま適用することができる。
【０１０４】
また、本実施形態においては、ＦＣ用コントローラ６及び給湯用コントローラ１０をマイコンにより構成し、これらのマイコンでコージェネレーション・システムの出力制御プログラムを実行することにより、上記出力制御装置を実現する構成としてもよい。
【０１０５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、発電計画策定期間が終了した時点において、蓄熱装置に蓄熱される余剰熱量を極力少なくすることができるため、コージェネレーション・システムの省エネルギー性を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係るコージェネレーション・システムの構成図である。
【図２】本発明の実施形態１に係るコージェネレーション・システムの出力制御装置の構成を表すブロック図である。
【図３】本発明の実施形態１に係るコージェネレーション・システムの出力制御方法を表すフローチャートである。
【図４】発電計画策定期間内における負荷消費電力と仮発電量との関係の一例を表す図である。
【図５】１日の各時間帯における暖房負荷と給湯負荷の消費する熱量の一例を表す図である。
【図６】図４の電力消費及び図５の熱消費に対して仮ＦＣ発電量でＦＣを運転した場合の熱出力積算量と蓄熱量の時間変化を表す図である。
【図７】図４に示した各時間帯の仮ＦＣ発電量を修正して求められたＦＣ発電量を表す図である。
【図８】本発明の実施形態２に係るコージェネレーション・システムの出力制御装置の構成を表すブロック図である。
【図９】本実施形態に係るコージェネレーション・システムの出力制御方法を表すフローチャートである。
【図１０】図４、図５に示したような電力消費及び熱消費があった場合に図４に示した仮ＦＣ発電量を補正して得られる仮ＦＣ発電量を表す図である。
【符号の説明】
１ コージェネレーション・システム
２ 燃料電池（ＦＣ）
３ インバータ
４ 排熱熱交換器
５ 余剰電力ヒータ
６ ＦＣ用コントローラ
７ 暖房熱交換器
８ 成層式貯湯槽
９ 補助熱源
１０ 給湯用コントローラ
１１ 循環ポンプ
１２，１３ 電流センサ
１４ 熱媒循環ポンプ
１５ 流量センサ
１６，１７ａ〜１７ｅ，１８，１９，２０ 温度センサ
３０，３０’ 出力制御装置
３１ 負荷消費量予測手段
３２ 負荷記憶手段
３３ 仮発電量算出手段
３４ 熱出力算出手段
３５ 消費熱量算出手段
３６ 熱出力余剰係数算出手段
３７ 発電計画決定手段
３８ 運転計画記憶手段
３９ システム制御手段
４０ ＦＣ運転制御手段
４１ 消費電力検出手段
４２ 暖房負荷熱量検出手段
４３ 給湯負荷熱量検出手段
５１ 仮発電量補正手段
Claims (10)
- 発電により電力を出力するとともに発電に伴い生じる熱量を出力するコージェネレーション装置と、
前記コージェネレーション装置が出力する電力を消費する電力負荷と、
前記コージェネレーション装置が出力する熱量を蓄熱する蓄熱装置と、
前記コージェネレーション装置が出力する排熱又は前記蓄熱装置に蓄熱された熱量を消費する給湯負荷と、
を備えたコージェネレーション・システムにおいて、前記コージェネレーション装置の出力制御を行う出力制御装置であって、
発電計画策定期間内の各時間帯における前記電力負荷の消費電力量及び前記給湯負荷の消費熱量の予測値を記憶する負荷記憶手段と、
前記負荷記憶手段に記憶された前記電力負荷の消費電力量の予測値に基づき、前記コージェネレーション装置の運転方法であって、電力負荷の予測消費電力が前記コージェネレーション装置の最大発電量以下の場合には電力負荷の予測消費電力で発電を行い、電力負荷の予測消費電力が前記コージェネレーション装置の最大発電量を超える場合には前記コージェネレーション装置の最大発電量で発電を行う運転方法である電主運転により前記コージェネレーション装置を運転した場合の各時間帯における発電量である仮発電量を算出する仮発電量算出手段と、
前記発電計画策定期間内の各時間帯において前記コージェネレーション装置により前記仮発電量を発電した場合において、前記コージェネレーション装置が出力する熱量の積算値を算出する熱出力算出手段と、
前記発電計画策定期間内における前記給湯負荷の予測消費熱量の総てを賄うために供給することが必要とされる熱量である実質消費熱量を算出する消費熱量算出手段と、
前記実質消費熱量を前記熱出力算出手段が算出する熱量の積算値で除した値である熱出力余剰係数を算出する熱出力余剰係数算出手段と、
前記発電計画策定期間内の各時間帯における仮発電量に対して前記熱出力余剰係数を掛けることにより、各時間帯における前記コージェネレーション装置の発電量を算出する発電計画決定手段と、
前記発電計画決定手段が算出した各時間帯における前記コージェネレーション装置の発電量が格納される運転計画記憶手段と、
前記運転計画記憶手段に格納された各時間帯における前記コージェネレーション装置の発電量に基づいて前記コージェネレーション装置の発電出力の制御を行うシステム制御手段と、
を備えたことを特徴とする出力制御装置。 - 前記コージェネレーション装置が出力する熱量の殆どが、蓄熱装置に蓄熱されることなく前記給湯負荷に消費されるか、又は蓄熱されてもその蓄熱時間が極めて短くなる程度に消費される場合と、前記コージェネレーション装置が出力する熱量の全部又は一部が蓄熱装置に蓄熱される場合のいずれであるかを判定するための閾値を、前記給湯負荷の消費熱量の予測値が超える時間帯よりも、該閾値以下の状態の前の時間帯における前記仮発電量を補正するための放熱補正係数を、前記蓄熱装置に蓄熱された熱が放熱により喪失する単位時間帯あたりの割合に、その後の時間帯の放熱補正係数を掛けることで算出し、算出された放熱補正係数に基づいて前記仮発電量を補正する仮発電量補正手段
を備え、
前記熱出力算出手段は、前記仮発電量補正手段により補正された前記仮発電量により前記発電計画策定期間内の各時間帯において前記コージェネレーション装置を運転した場合に、前記コージェネレーション装置が出力する熱量の積算値を算出すること
を特徴とする請求項１記載の出力制御装置。 - 前記仮発電量算出手段、前記熱出力算出手段、前記消費熱量算出手段、前記熱出力余剰係数算出手段、及び前記発電計画決定手段は、各時間帯が経過するごとに、その時点を始点とする発電計画策定期間内の各時間帯における前記コージェネレーション装置の発電量を算出し直すことを特徴とする請求項１又は２記載の出力制御装置。
- 前記コージェネレーション・システムは、前記コージェネレーション装置が出力する熱量を消費する暖房負荷を備えており、
前記消費熱量算出手段は、前記発電計画策定期間内における前記給湯負荷及び前記暖房負荷の予測消費熱量の総てを賄うために供給することが必要とされる熱量を実質消費熱量として算出すること
を特徴とする請求項１乃至３の何れか一記載の出力制御装置。 - 発電により電力を出力するとともに発電に伴い生じる熱量を出力するコージェネレーション装置と、
前記コージェネレーション装置が出力する電力を消費する電力負荷と、
前記コージェネレーション装置が出力する熱量を蓄熱する蓄熱装置と、
前記コージェネレーション装置が出力する排熱又は前記蓄熱装置に蓄熱された熱量を消費する給湯負荷と、
発電計画策定期間内の各時間帯における前記電力負荷の消費電力量及び前記給湯負荷の消費熱量の予測値を記憶する負荷記憶手段と、
を備えたコージェネレーション・システムにおいて、前記コージェネレーション装置の出力制御を行う出力制御方法であって、
前記負荷記憶手段に記憶された前記電力負荷の消費電力量の予測値に基づき、前記コージェネレーション装置の運転方法であって、電力負荷の予測消費電力が前記コージェネレーション装置の最大発電量以下の場合には電力負荷の予測消費電力で発電を行い、電力負荷の予測消費電力が前記コージェネレーション装置の最大発電量を超える場合には前記コージェネレーション装置の最大発電量で発電を行う運転方法である電主運転により前記コージェネレーション装置を運転した場合の各時間帯における発電量である仮発電量を算出する仮発電量算出手順、
前記発電計画策定期間内の各時間帯において前記コージェネレーション装置により前記仮発電量を発電した場合において、前記コージェネレーション装置が出力する熱量の積算値を算出する熱出力算出手順、
前記発電計画策定期間内における前記給湯負荷の予測消費熱量の総てを賄うために供給することが必要とされる熱量である実質消費熱量を算出する消費熱量算出手順、
前記実質消費熱量を前記熱出力算出手段が算出する熱量の積算値で除した値である熱出力余剰係数を算出する熱出力余剰係数算出手順、
及び、前記発電計画策定期間内の各時間帯における仮発電量に対して前記熱出力余剰係数を掛けることにより、各時間帯における前記コージェネレーション装置の発電量を算出して、運転計画記憶手段に格納する発電計画決定手順、
前記運転計画記憶手段に格納された各時間帯における前記コージェネレーション装置の発電量に基づいて前記コージェネレーション装置の発電出力の制御を行うシステム制御手順、
を有していることを特徴とする出力制御方法。 - 前記仮発電量算出手順において算出された前記仮発電量のうち、前記給湯負荷の消費熱量の予測値が、前記コージェネレーション装置が出力する熱量の殆どが、蓄熱装置に蓄熱されることなく前記給湯負荷に消費されるか、又は蓄熱されてもその蓄熱時間が極めて短くなる程度に消費される場合と、前記コージェネレーション装置が出力する熱量の全部又は一部が蓄熱装置に蓄熱される場合のいずれであるかを判定するための閾値を超える時間帯よりも、該閾値以下の状態の前の時間帯における前記仮発電量を補正するための放熱補正係数を、前記蓄熱装置に蓄熱された熱が放熱により喪失する単位時間帯あたりの割合に、その後の時間帯の放熱補正係数を掛けることで算出し、算出された放熱補正係数に基づいて前記仮発電量を補正する仮発電量補正手順
を有し、
前記熱出力算出手順においては、前記仮発電量補正手段により補正された前記仮発電量により前記発電計画策定期間内の各時間帯において前記コージェネレーション装置を運転した場合に、前記コージェネレーション装置が出力する熱量の積算値を算出すること
を特徴とする請求項５記載の出力制御方法。 - 各時間帯が経過するごとに、その時点を始点とする発電計画策定期間内の各時間帯における前記コージェネレーション装置の発電量を算出し直すことを特徴とする請求項５又は６記載の出力制御方法。
- 前記コージェネレーション・システムは、前記コージェネレーション装置が出力する熱量を消費する暖房負荷を備えており、
前記消費熱量算出手順においては、前記発電計画策定期間内における前記給湯負荷及び前記暖房負荷の予測消費熱量の総てを賄うために供給することが必要とされる熱量を実質消費熱量として算出すること
を特徴とする請求項５乃至７の何れか一記載の出力制御方法。 - 発電により電力を出力するとともに発電に伴うに生じる熱量を出力するコージェネレーション装置と、
前記コージェネレーション装置が出力する電力を消費する電力負荷と、
前記コージェネレーション装置が出力する熱量を蓄熱する蓄熱装置と、
前記コージェネレーション装置が出力する排熱又は前記蓄熱装置に蓄熱された熱量を消費する給湯負荷と、
前記コージェネレーション装置の制御を行うコンピュータと、
を備えたコージェネレーション・システムにおいて、
前記コンピュータに読み込ませて実行することにより、前記コンピュータを請求項１乃至３の何れか一に記載の出力制御装置として動作させることを特徴とするコージェネレーション・システムの出力制御プログラム。 - 発電により電力を出力するとともに発電に伴うに生じる熱量を出力するコージェネレーション装置と、
前記コージェネレーション装置が出力する電力を消費する電力負荷と、
前記コージェネレーション装置が出力する熱量を消費する暖房負荷と、
前記コージェネレーション装置が出力する熱量を蓄熱する蓄熱装置と、
前記コージェネレーション装置が出力する排熱又は前記蓄熱装置に蓄熱された熱量を消費する給湯負荷と、
前記コージェネレーション装置の制御を行うコンピュータと、
を備えたコージェネレーション・システムにおいて、
前記コンピュータに読み込ませて実行することにより、前記コンピュータを請求項４記載の出力制御装置として動作させることを特徴とするコージェネレーション・システムの出力制御プログラム。
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