JP4656521B2 - Cogeneration system - Google Patents
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Description
本発明は、コジェネレーションシステムに関する。 The present invention relates to a cogeneration system.
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前記発電装置を制御する運転制御装置と、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。 The cogeneration system includes a power generation device that supplies power to the load device, an operation control device that controls the power generation device so as to achieve a power generation amount according to a power generation amount instruction value, and hot water that recovers exhaust heat from the power generation device. What is equipped with the hot water storage tank which stores hot water is known.
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、燃料電池の運転を１回／日を基本とし（以後オンオフ１回制御と呼ぶ）、時刻帯別温水消費量モデルパターンによる１日の温水消費量が、１日連続して稼働率一定値以上で燃料電池を運転した場合の排熱回収による温水貯湯量を上回る場合、或いは余剰電力を電熱変換手段で熱に変換し排熱回収に加算した温水貯湯量を上回る場合は、オンオフ１回制御を中止して１日連続して燃料電池を運転するものである。これによれば、通常はオンオフ１回制御を行うが冬季のような給湯負荷が大きくなる条件においてはオンオフ１回制御を中止して１日中連続運転を行うことによって燃料電池の起動回数を減らすことが出来、燃料電池の起動エネルギーロスを防止し、燃料電池の劣化に影響を及ぼす間欠運転をより少なくできることで燃料電池の耐久性を向上させることが出来る。
As an example of this cogeneration system, there is a cogeneration system disclosed in
また、他の一例としては、特許文献２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、例えば燃料電池コージェネレーションシステムを有する家屋に在住する家人の外出時に対しては、係る外出時専用のデータベース（需要が少ない事態におけるデータを記憶する記憶手段１４）に記憶されたデータに従って、係る外出時専用の運転制御を行うことにより、燃料電池またはガスエンジンを有するコージェネレーションシステムの運転効率を向上することが可能である。
Another example is a cogeneration system disclosed in
具体的には、係る外出時には例えば電力需要が減少し、燃料電池（ＦＣ）の運転効率が低下する。その様な場合、外出時間を予測し（需要が所定値以下である時間を予測）、予測された外出時間が閾値以上である場合には、燃料電池（ＦＣ）を停止したほうが効率が向上すると判定して、停止するのである。この時の、停止するか否かの判定用の閾値（外出時間の閾値）は、停止してから電力需要が復活して再起動するまでに必要な起動エネルギーが、停止せずに運転を継続した場合の発電量と買電量とガス消費量による１次エネルギー消費量より少ない、という条件を満たす範囲内で設定するようになっている。
ところで、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、オンオフ１回制御と１日中連続運転とを切り替え制御し、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、外出時間に発電を停止するか継続するかを切り替え制御している。しかし、いずれの場合も切り替えを決定する際に経年変化による排熱回収量の悪化、発電効率の悪化を考慮していないので、使用期間が長くなるほど省エネ効果が悪化し、効率の良い運転ができなくなるという問題があった。また、いずれの場合も切り替えを決定する際に製品毎の排熱回収量のばらつき、発電効率のばらつきを考慮していないので、排熱回収性、発電効率性がもともと悪いものは省エネ効果が悪く、効率の良い運転ができないという問題があった。
By the way, in the cogeneration system described in
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、製品毎の排熱回収性、発電効率性のばらつき、経年変化による排熱回収量の悪化、発電効率の悪化の影響を受けることなく、省エネ効果を高く維持した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。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and is affected by exhaust heat recoverability and power generation efficiency variation among products, deterioration of exhaust heat recovery amount due to secular change, and deterioration of power generation efficiency. It aims at providing the cogeneration system which maintained the energy-saving effect highly.
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発電装置を制御する運転制御装置と、発電装置の排熱を回収した湯水を貯湯する貯湯槽と、を備えたコジェネレーションシステムにおいて、所定時間帯に発電装置の発電を停止した場合の省エネルギ効果を算出する発電停止省エネ効果算出手段と、所定時間帯に発電装置の発電を継続した場合の省エネルギ効果を発電装置の特性の学習値に基づいて算出する発電継続省エネ効果算出手段と、両省エネ効果算出手段によってそれぞれ算出された両省エネルギ効果を比較する比較手段と、所定時間帯に、発電装置の発電を継続する連続発電制御を実施するか、発電装置の発電を停止する発電停止制御を実施するかを比較手段による比較結果に基づいて切り替える切替手段と、を備えたことである。
In order to solve the above-described problem, the structural feature of the invention according to
また請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、所定時間帯は、負荷装置による電力消費量が小さい時間帯である低電力消費時間帯であることである。
A structural feature of the invention according to
また請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項２において、低電力消費時間帯は、予め測定し記憶した電力消費量のデータから導出された一日の電力消費パターンのなかの電力消費量の最小値に所定値を乗算した乗算値より電力消費量が小さくなる該電力消費パターンの時間帯であることである。
Further, the structural feature of the invention according to claim 3 is that, in
また請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項３の何れか一項において、発電装置の特性は、発電装置の発電量と発電装置に投入される燃料投入量との相関関係である発電量−燃料投入量特性、および発電装置の発電量と貯湯槽に回収された排熱回収量との相関関係である発電量−排熱回収量特性であることである。 According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects of the invention, the characteristics of the power generation device include: a power generation amount of the power generation device and a fuel input amount that is input to the power generation device. Power generation amount-fuel input amount characteristic, and power generation amount-exhaust heat recovery amount characteristic, which is a correlation between the power generation amount of the power generation apparatus and the exhaust heat recovery amount recovered in the hot water storage tank.
上記のように構成した請求項１に係る発明においては、発電停止省エネ効果算出手段が、所定時間帯に発電装置の発電を停止した場合の省エネルギ効果を算出し、発電継続省エネ効果算出手段が、所定時間帯に発電装置の発電を継続した場合の省エネルギ効果を発電装置の特性の学習値に基づいて算出し、比較手段が、両省エネ効果算出手段によってそれぞれ算出された両省エネルギ効果を比較し、切替手段が、所定時間帯に、発電装置の発電を継続する連続発電制御を実施するか、発電装置の発電を停止する発電停止制御を実施するかを比較手段による比較結果に基づいて切り替える。したがって、所定時間帯においては発電装置の特性の学習値に基づいて省エネ効果がある運転に適切に切り替えることができるので、製品毎の排熱回収性、発電効率性のばらつきがあっても、また経年変化による排熱回収量、発電効率が悪化しても、その影響を受けることなく、省エネ効果を高く維持したコジェネレーションシステムを提供することができる。
In the invention according to
上記のように構成した請求項２に係る発明においては、請求項１に係る発明において、所定時間帯は、負荷装置による電力消費量が小さい時間帯である低電力消費時間帯であるので、もともと発電出力量が少ない場合において発電効率がよくない燃料電池のコジェネレーションシステムにあっても、省エネ効果を高く維持した効率のよい運転を実施することができる。
In the invention according to
上記のように構成した請求項３に係る発明においては、請求項２に係る発明において、低電力消費時間帯は、予め測定し記憶した電力消費量のデータから導出された一日の電力消費パターンのなかの電力消費量の最小値に所定値を乗算した乗算値より電力消費量が小さくなる該電力消費パターンの時間帯であるので、低電力消費時間帯を実際の電力消費パターンに応じて適切に導出することができる。
In the invention according to claim 3 configured as described above, in the invention according to
上記のように構成した請求項４に係る発明においては、請求項１乃至請求項３の何れか一項に係る発明において、発電装置の特性は、発電装置の発電量と発電装置に投入される燃料投入量との相関関係である発電量−燃料投入量特性、および発電装置の発電量と貯湯槽に回収された排熱回収量との相関関係である発電量−排熱回収量特性であるので、より確実に省エネルギ効果を上げることができる。
In the invention according to
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を制御する運転制御装置４０とを備えている。
Hereinafter, an embodiment of a cogeneration system according to the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic diagram showing an overview of this cogeneration system. In this cogeneration system, the
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。
The
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。
The generator 11 includes a reformer, a carbon monoxide reduction device (hereinafter referred to as a CO reduction device), and a fuel cell. In the reformer, the fuel supplied from the
燃料供給装置１３と発電器１１の間には、発電器１１に投入される燃料量を検出する燃料投入量検出手段である流量計１３ａが設けられており、流量計１３ａは検出した燃料投入量を運転制御装置４０に送信するようになっている。なお、燃料電池発電装置の場合の燃料投入量は、改質装置に供給される燃料の投入量を指す。
Between the
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。変換器１２には、発電装置１０から出力される発電出力量を検出する発電出力量検出手段である電力計１０ａが設けられており、電力計１０ａは検出した発電出力量を運転制御装置４０に送信するようになっている。
The
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の総電力消費量が上回った場合、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にて消費された電力消費量を検出する電力消費量検出手段であり、電力使用場所２０で使用される全ての負荷装置２１の合計電力消費量を検出して、運転制御装置４０に送信するようになっている。
The load device 21 is an electric appliance such as an electric lamp, iron, television, washing machine, electric kotatsu, electric carpet, air conditioner, and refrigerator. In addition, the
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（貯湯水）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。
The generator 11 is connected to a
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。
The
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（本実施形態においては９個）の温度センサ３４−１，３４−２，３４−３，・・・，３４−９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八分の一の距離）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，・・・，３４−９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３４−４〜３４−９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１／４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３４−５〜３４−９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３／８を残湯量として検出する。
In addition, a
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。
The amount of remaining hot water between the temperature sensor detecting 60 ° C. or more and the temperature sensor detecting less than 60 ° C. is based on the temperature gradient calculated by a plurality of upper and lower temperature sensors including these two temperature sensors and the distance between the sensors. Therefore, the remaining hot water amount in the hot
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ガス湯沸かし器（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。ガス湯沸かし器は、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。温度センサはガス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、その検出信号は運転制御装置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、ガス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消費量（給湯量）を検出するものである。流量センサ３６の検出信号は運転制御装置４０に送信されるようになっている。運転制御装置４０は、受信した湯水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。
A hot
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、浴槽の湯の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。
Connected to the hot
運転制御装置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２〜図１０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・停止切り替えおよび発電量（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。
The
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２〜図１０を参照して説明する。運転制御装置４０は、図示しない主電源が投入されると、ステップ１００にてプログラムを起動しプログラムをステップ１０２に進める。運転制御装置４０は、ステップ１０２〜１１６の処理によって所定時間帯を予め設定し、その所定時間帯に発電を停止するか或いは発電を継続するかを決定する。この処理は、例えば一日に一回実施される。
Next, the operation of the above-described cogeneration system will be described with reference to FIGS. When the main power supply (not shown) is turned on, the
運転制御装置４０は、ステップ１０２において、図３に示す低電力消費時間帯予測ルーチンに沿ってプログラムを実行し、低電力消費の時間帯（所定時間帯）を予測してその時間帯を記憶する。
In
運転制御装置４０は、予め測定し日時と関連付けして記憶した電力消費量を所定期間分（例えば１週間分）だけ読み出し（ステップ２０２）、そのデータを一日の時刻毎に平均化することにより、一日の電力消費パターンを導出する（ステップ２０４）。導出結果を図１１に示す。図１１においては、横軸は一日の時刻（時間）を０時から２４時までで示しており、縦軸は電力消費量［Ｗ］を示している。運転制御装置４０は、ステップ２０４で導出した電力消費パターンの電力消費量のうち最小値を最小値Ｅminとして導出する（ステップ２０６）。そして、運転制御装置４０は、図１１に示すように、最小値Ｅminに所定値Ｃを乗算した乗算値（Ｅmin×Ｃ）とステップ２０４で導出した電力消費パターンを比較して、乗算値より電力消費量が小さくなる時間帯を低電力消費の時間帯として予測（導出）して記憶する（ステップ２０８）。この時間帯は時刻ｔ１から時刻ｔ２までの時間帯である。その後、ステップ２１０に進めて本ルーチンの処理を終了しプログラムを図２に示すステップ１０４に進める。
The
次に、運転制御装置４０は、ステップ１０４において、図４に示す燃料投入量特性学習ルーチンに沿ってプログラムを実行し、発電量と燃料投入量の測定データに基づいて燃料投入量特性を学習する。
Next, in
運転制御装置４０は、予め関連付けて測定し記憶した発電量Ｅｇと燃料投入量Ｈｆのデータを所定期間分（例えば１週間分）だけ読み出し（ステップ３０２）、それらデータに基づいて発電量−燃料投入量特性の近似式を導出する（ステップ３０４）。ステップ３０２において読み出される発電量Ｅｇと燃料投入量Ｈｆのデータは、発電装置１０に投入された燃料投入量Ｈｆに対して発電装置１０が発電した発電量Ｅｇであり、所定時間毎（例えば６０秒毎）に測定して関連付けられて記憶されたものである。燃料投入量Ｈｆは、流量計１３ａによって測定されるものであり、発電量Ｅｇは、電力計１０ａによって測定されるものである。
The
運転制御装置４０は、ステップ３０４において、ステップ３０２で読み出したデータに基づいて発電量と燃料投入量との相関関係を示す演算式を例えば最小二乗法を使って導出する。演算式は近似式として下記数１で示される。
In
（数１）
Ｙ＝ａ１・Ｘ＋ｂ１
(Equation 1)
Y = a1 · X + b1
Ｙは燃料投入量であり、Ｘは発電量である。ａ１は、下記数２で示される定数であり、ｂ１は、下記数３で示される定数である。
Y is the amount of fuel input, and X is the amount of power generation. a1 is a constant represented by the following
ここで、ｎは、ステップ３０２で読み出された事前に測定されたデータの個数であり、Ｅｇｉは、ｉ番目に測定された発電量Ｅｇのデータであり、Ｈｆｉは、ｉ番目に測定された燃料投入量Ｈｆのデータである。Ｅｇ￣，Ｈｆ￣は、測定された全ての発電量Ｅｇ、燃料投入量Ｈｆの各平均値であり、下記数４、数５から算出される。
Here, n is the preliminary number of measured data read in
このような方法によって導出した発電量と燃料投入量との相関関係を示す演算式の一例を図１２に示す。図１２においては、横軸は発電量［Ｗ］を示しており、縦軸は燃料投入量［Ｌ／ｍｉｎ］を示している。なおドットが測定データを示している。 FIG. 12 shows an example of an arithmetic expression showing a correlation between the power generation amount derived by such a method and the fuel input amount. In FIG. 12, the horizontal axis indicates the power generation amount [W], and the vertical axis indicates the fuel input amount [L / min]. The dots indicate the measurement data.
その後、運転制御装置４０は、ステップ３０６に進めて本ルーチンの処理を終了しプログラムを図２に示すステップ１０６に進める。
Thereafter, the
次に、運転制御装置４０は、ステップ１０６において、図５に示す排熱回収量特性学習ルーチンに沿ってプログラムを実行し、発電量と排熱回収量の測定データに基づいて排熱回収量特性を学習する。
Next, in
運転制御装置４０は、予め関連付けて測定し記憶した発電量Ｅｇと排熱回収量Ｈｇのデータを所定期間分（例えば１週間分）だけ読み出し（ステップ４０２）、それらデータに基づいて発電量−排熱回収量特性の近似式を導出する（ステップ４０４）。ステップ４０２において読み出される発電量Ｅｇと排熱回収量Ｈｇのデータは、発電装置１０が発電した発電量Ｅｇに対して貯湯水が回収した排熱回収量Ｈｇであり、所定時間毎（例えば６０秒毎）に測定して関連付けられて記憶されたものである。発電量Ｅｇは、電力計１０ａによって測定されるものである。排熱回収量Ｈｇは、貯湯槽３０内の湯水の増加熱量であり、下記数６に基づいて算出されるものである。
The
（数６）
排熱回収量Ｈｇ＝湯水の増加熱量×比熱［Ｊ／ｇ・℃］
(Equation 6)
Waste heat recovery amount Hg = Increased heat amount of hot water x Specific heat [J / g · ° C]
ここで、湯水の増加熱量は残湯量検出センサ３４によって検出された貯湯槽３０内の温度分布に基づいてそれぞれ算出された残湯量増加前と増加後の貯湯槽３０内の湯水の総熱量の差をとることにより導出することができる。なお、排熱回収量Ｈｇは、熱交換器３２の湯水（または発電器１１の熱媒体）の導入口温度と導出口温度をそれぞれ測定するとともに熱交換器３２を通過する湯水（または発電器１１を通過する熱媒体）の流量を測定し、それら測定値を使用して導出するようにしてもよい。また、比熱は湯水すなわち水の比熱であり、ここでは４．１８６０５［Ｊ／ｇ・℃］とする。
Here, the increased heat quantity of the hot water is the difference between the total heat quantity of the hot water in the
運転制御装置４０は、ステップ４０４において、ステップ４０２で読み出したデータに基づいて発電量と排熱回収量との相関関係を示す演算式を例えば最小二乗法を使って導出する。演算式は近似式として下記数１で示される。
In
（数７）
Ｙ＝ａ２・Ｘ＋ｂ２
(Equation 7)
Y = a2 · X + b2
Ｙは排熱回収量であり、Ｘは発電量である。ａ２は、下記数８で示される定数であり、ｂ２は、下記数９で示される定数である。
Y is an exhaust heat recovery amount, and X is a power generation amount. a2 is a constant represented by the following
ここで、ｎは、ステップ４０２で読み出された事前に測定されたデータの個数であり、Ｅｇｉは、ｉ番目に測定された発電量Ｅｇのデータであり、Ｈｇｉは、ｉ番目に測定された排熱回収量Ｈｇのデータである。Ｅｇ￣，Ｈｇ￣は、測定された全ての発電量Ｅｇ、排熱回収量Ｈｇの各平均値であり、下記数１０、数１１から算出される。
Here, n is the preliminary number of measured data read in
このような方法によって導出した発電量と排熱回収量との相関関係を示す演算式の一例を図１３に示す。図１３においては、横軸は発電量［Ｗ］を示しており、縦軸は排熱回収量［Ｗ］を示している。なおドットが測定データを示している。
その後、運転制御装置４０は、ステップ４０６に進めて本ルーチンの処理を終了しプログラムを図２に示すステップ１０８に進める。
FIG. 13 shows an example of an arithmetic expression showing the correlation between the power generation amount derived by such a method and the exhaust heat recovery amount. In FIG. 13, the horizontal axis indicates the power generation amount [W], and the vertical axis indicates the exhaust heat recovery amount [W]. The dots indicate the measurement data.
Thereafter, the
次に、運転制御装置４０は、ステップ１０８において、図６に示す発電停止時ＣＯ２削減量算出ルーチンに沿ってプログラムを実行し、先に予測した低電力消費の時間帯に発電を停止した場合のＣＯ２削減量である発電停止ＣＯ２削減量Ｍoffを算出する。
Next, in
運転制御装置４０は、先に予測した所定時間帯すなわち時刻ｔ１、ｔ２に基づいて停止時間Ｔ（＝ｔ２−ｔ１）を算出し（ステップ５０２）、その停止時間Ｔ内を発電装置１０の発電停止処理に必要な時間Ｔstop、発電再開のための発電起動処理に必要な時間Ｔstart、およびそれら両時間の間待機状態である待機時間Ｔwait（＝Ｔ−Ｔstop−Ｔstart）に分けてそれぞれの時間におけるＣＯ２削減量を下記数１２を使用して合計して発電停止ＣＯ２削減量Ｍoffを算出する（ステップ５０４）。
The
（数１２）
Ｍoff＝ｄ１・Ｔstop＋ｄ２・Ｔwait＋ｄ３・Ｔstart
(Equation 12)
Moff = d1 · Tstop + d2 · Twait + d3 · Tstart
上記数１２の右辺第１項が発電停止処理時におけるＣＯ２削減量であり、第２項が待機時におけるＣＯ２削減量であり、第３項が発電再開処理時におけるＣＯ２削減量である。上記数１２において、ｄ１は−Ｃ１・Ｅｆ１で表される値であり、ｄ２は−Ｃ２・Ｅｆ２で表される値であり、ｄ３はＣ２・Ｃ３・Ｈｇ３−Ｃ３・Ｅｆ３−Ｃ２・Ｈｆ３で表される値である。Ｃ１［ｇ／Ｗｈ］は電気１ＷｈあたりのＣＯ２発生量であり、Ｃ２［ｇ／Ｌ］は投入されている燃料である天然ガス１リットル（Ｌ）あたりのＣＯ２発生量であり、Ｃ３［Ｌ／Ｗ］は単位換算のための値である。Ｅｆ［Ｗ］は発電装置１０を作動させるための補機が消費する電力消費量であり、Ｈｇ［Ｗ］は排熱回収量であり、Ｈｆ［Ｌ／ｓ］は燃料投入量である。なお、ｄ、Ｅｆ、Ｈｇ、Ｈｆの添え字の１〜３は、発電停止処理時、待機時および発電再開処理時に対応して付されている。
The first term on the right side of
その後、運転制御装置４０は、ステップ５０６に進めて本ルーチンの処理を終了しプログラムを図２に示すステップ１１０に進める。
Thereafter, the
運転制御装置４０は、ステップ１１０において、図７に示す発電継続時ＣＯ２削減量算出ルーチンに沿ってプログラムを実行し、先に予測した低電力消費の時間帯に発電を継続した場合のＣＯ２削減量である発電継続ＣＯ２削減量Ｍonを算出する。
運転制御装置４０は、ステップ６０２において、先に予測した所定時間帯すなわち時刻ｔ１、ｔ２に基づいて下記数１３からその時間帯の総発電量Ｅｇを算出する。すなわち、図１１に示す電力消費パターンにて時刻ｔ１から時刻ｔ２までの電力消費量の面積を算出（積分）する。
In
運転制御装置４０は、ステップ６０４において、ステップ６０２にて算出した総発電量Ｅｇ、および先にステップ１０６にて学習した排熱回収量特性に基づいて所定時間帯の総排熱回収量Ｈｇを下記数１４から算出する。
In
（数１４）
総排熱回収量Ｈｇ＝ａ２・総発電量Ｅｇ＋ｂ２
(Equation 14)
Total waste heat recovery amount Hg = a2 Total power generation amount Eg + b2
ここで、ａ２およびｂ２は上述したステップ４０４で導出した値である。
Here, a2 and b2 are values derived in
運転制御装置４０は、ステップ６０６において、ステップ６０２にて算出した総発電量Ｅｇ、および先にステップ１０４にて学習した燃料投入量特性に基づいて所定時間帯の総燃料投入量Ｈｆを下記数１５から算出する。
In
（数１５）
総燃料投入量Ｈｆ＝ａ１・総発電量Ｅｇ＋ｂ１
(Equation 15)
Total fuel input Hf = a1 Total power generation Eg + b1
ここで、ａ１およびｂ１は上述したステップ３０４で導出した値である。
Here, a1 and b1 are values derived in
運転制御装置４０は、ステップ６０８において、先に算出した総発電量Ｅｇ、総排熱回収量Ｈｇおよび総燃料投入量Ｈｆに基づいて下記数１６から発電継続ＣＯ２削減量Ｍonを算出する。
In
（数１６）
Ｍon＝Ｃ１・Ｅｇ＋Ｃ２・Ｃ３・Ｈｇ−Ｃ２・Ｈｆ
(Equation 16)
Mon = C1, Eg + C2, C3, Hg-C2, Hf
ここで、Ｃ１［ｇ／Ｗｈ］は電気１ＷｈあたりのＣＯ２発生量であり、Ｃ２［ｇ／Ｌ］は投入されている燃料である天然ガス１リットル（Ｌ）あたりのＣＯ２発生量であり、Ｃ３［Ｌ／Ｗ］は単位換算のための値である。 Here, C1 [g / Wh] is the amount of CO 2 generated per 1 Wh of electricity, and C2 [g / L] is the amount of CO 2 generated per liter (L) of natural gas as the fuel that is input. , C3 [L / W] is a value for unit conversion.
その後、運転制御装置４０は、ステップ６１０に進めて本ルーチンの処理を終了しプログラムを図２に示すステップ１１２に進める。
Thereafter, the
運転制御装置４０は、ステップ１１２において、発電停止ＣＯ２削減量Ｍoffと発電継続ＣＯ２削減量Ｍonを比較し、発電停止ＣＯ２削減量Ｍoffが発電継続ＣＯ２削減量Ｍonより大きいか否かを判定する。運転制御装置４０は、削減量Ｍoffが削減量Ｍonより大きい場合には、フラグＦを０に設定し（ステップ１１４）、削減量Ｍoffが削減量Ｍon以下である場合には、フラグＦを１に設定する（ステップ１１６）。フラグＦは、所定時間帯における発電装置１０の運転状態を示すフラグである。フラグＦが０のときに、発電装置１０の運転は発電停止運転であり、フラグＦが１のときに、発電装置１０の運転は継続発電運転である。
運転制御装置４０は、ステップ１１４，１１６にてフラグＦを０または１に設定した後、プログラムをステップ１１８に進める。ステップ１１８において、第１所定時間Ｔ１（例えば２４時間）が経過するのを待ってプログラムをステップ１０２に戻す。これにより、運転制御装置４０は、上述したように所定時間帯を予め設定し、その所定時間帯に発電を停止するか或いは発電を継続するかを決定する処理を第１所定時間Ｔ１毎（例えば２４時間毎）に実行する。なお、この処理を一日の任意の決まった時刻に定期的に実行するようにしてもよい。
The
次に、運転制御装置４０は、上述した所定時間帯に発電を停止するか或いは発電を継続するかを決定する処理とは別に、発電器１１が発電可能な状態となると、ステップ７００にて図８に示すプログラムを起動しプログラムをステップ７０２に進める。運転制御装置４０は、ステップ７０２〜７０８の処理によって発電装置１０の運転を制御する。この運転は第２所定時間Ｔ２毎（例えば６０秒毎）に実行される。第２所定時間Ｔ２は比較的短時間な値に設定されるものであり、上述した第１所定時間より十分小さい値である。
Next, the
具体的には、運転制御装置４０は、ステップ７０２において、現在の時刻が事前に設定された所定時間帯であるか否かを判定する。運転制御装置４０は、現在時刻が所定時間帯であれば、ステップ７０２にて「ＹＥＳ」と判定しプログラムをステップ７０４に進める。運転制御装置４０は、ステップ７０４において、事前に設定・記憶されているフラグＦが０であるか否かを判定する。フラグＦが０である場合には、運転制御装置４０は、ステップ７０４にて「ＹＥＳ」と判定しプログラムをステップ７０６に進めて、ステップ７０６において発電運転中の発電装置１０の発電停止運転を実施する。
Specifically, in
一方、現在時刻が所定時間帯であってもフラグＦが１である場合には、運転制御装置４０は、ステップ７０４にて「ＮＯ」と判定しプログラムをステップ７０８に進めて、ステップ７０８において発電運転中の発電装置１０の継続発電運転を実施する。また、現在時刻が所定時間帯でない場合も、運転制御装置４０は、ステップ７０２にて「ＮＯ」と判定しプログラムをステップ７０８に進めて、ステップ７０８において発電装置１０の連続発電運転を実施する。
On the other hand, if the flag F is 1 even if the current time is the predetermined time zone, the
ステップ７０６で実施される発電停止運転について、図９に示す発電停止運転ルーチンに沿って詳述する。運転制御装置４０は、ステップ８０２において、現在の時刻が、先にステップ５０２にて導出された発電停止処理時間Ｔstop、発電再開（起動）時間Ｔstart、または待機時間Ｔwaitのいずれの時間であるかを判定する。運転制御装置４０は、現在時刻が発電停止処理時間Ｔstopであれば、プログラムをステップ８０４に進める。運転制御装置４０は、ステップ８０４において、発電運転中の発電装置１０の発電停止処理を実施する。すなわち、改質装置を停止し、燃焼などの供給を停止する。運転制御装置４０は、現在時刻が待機時間Ｔwaitであれば、プログラムをステップ８０６に進める。運転制御装置４０は、ステップ８０６において、発電装置１０の発電が再開されるまで待機状態（発電停止状態）を維持する。そして、運転制御装置４０は、現在時刻が発電再開（起動）時間Ｔstartであれば、プログラムをステップ８０８に進める。運転制御装置４０は、ステップ８０８において、発電装置１０の運転を再開させるために起動処理を実行する。
The power generation stop operation performed in
運転制御装置４０は、各ステップ８０４，８０６，８０８の処理が終わるとステップ８１０に進めて本ルーチンの処理を終了しプログラムを図８に示すステップ７１０に進める。ステップ７１０において、第２所定時間Ｔ２（例えば６０秒）が経過するのを待ってプログラムをステップ７０２に戻す。これにより、運転制御装置４０は、ステップ７０２〜７０８の処理を第２所定時間Ｔ２毎に実行する。
When the processing of
ステップ７０８で実施される連続発電運転について、図１０に示す連続発電運転ルーチンに沿って詳述する。運転制御装置４０は、電力計２２を使用して電力使用場所２０の電力消費量を計測し（ステップ９０２）、計測した電力消費量を記憶する（ステップ９０４）。そして、運転制御装置４０は、記憶されている電力消費量のデータをフィルタ処理し（フィルタ処理手段：ステップ９０６）、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９０８）。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９１０）、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９１２）。第１の追従制御とは、電力消費量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、電力消費量の変動が発電装置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。
The continuous power generation operation performed in
具体的には、ステップ９０６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電力消費量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１７によってフィルタ処理を実行している。
Specifically, in
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。 U [k] and y [k] are current data, for example, input data and output values (process values) at time k, z is a delay operator, and a0, a1, a2, b0, b1, b2 is a constant.
図１４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電力消費量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電力消費量に発電電力が追従できない。しかし、このような電力消費量のデータを上述したステップ９０６によってフィルタ処理すると、図１５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Ｄ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９０８、９１０、９１２によって処理すると、図１６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。
As shown in FIG. 14, in areas A1, A2, and A3, when the power consumption greatly and periodically fluctuates beyond the output response performance of the
そして、運転制御装置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９１４，９１６）、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９１４，９１８）。具体的には、運転制御装置４０は、発電量が追従できる電力消費量である場合には、記憶されている電力消費量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で計測された電力消費量に追従するように制御する（ステップ９１６）。一方、発電量が追従できない電力消費量である場合には、平準化された電力消費量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電力消費量に追従するように制御する（ステップ９１８）。なお第２の追従制御は、記憶されている電力消費量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。
Then, the
したがって、発電量が追従できない電力消費量である場合における本発明による発電量は、図１７にて細い実線で示される激しく周期的に変動する電力消費量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１７にて太い実線で示されるように制御される。図１７においては上述した領域Ａ１を拡大して示している。図１７から明らかなように、発電量は電力消費量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電力消費量である場合における従来技術による発電量は、激しく変動する電力消費量にできるだけ追従するように制御されるので、図１８にて太い実線で示されるように電力消費量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電力消費量である場合、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。 Therefore, the power generation amount according to the present invention in the case where the power generation amount cannot follow the power generation amount is leveled with the periodically and periodically varying power consumption shown by a thin solid line in FIG. Therefore, control is performed as shown by a thick solid line in FIG. In FIG. 17, the region A1 described above is shown in an enlarged manner. As is clear from FIG. 17, the power generation amount fluctuates so as to take an average value of the power consumption amount. On the other hand, since the power generation amount according to the prior art when the power generation amount cannot be followed is controlled to follow the power consumption amount that fluctuates as much as possible, the power consumption as shown by a thick solid line in FIG. Controlled along the bottom side of consumption. Therefore, according to the present invention, when the power generation amount cannot follow the power generation amount, the power generation amount can be increased as compared with the conventional case, so that the power purchased from the power company can be reduced. In addition, since the vibration of the power generation amount can be suppressed, the amount of preceding fuel input when the power generation amount increases can be suppressed to a low level, thereby reducing the generation of carbon dioxide.
運転制御装置４０は、各ステップ９１６，９１８の処理が終わるとステップ９２０に進めて本ルーチンの処理を終了しプログラムを図８に示すステップ７１０に進める。上述と同様に、ステップ７１０において、第２所定時間Ｔ２（例えば６０秒）が経過するのを待ってプログラムをステップ７０２に戻す。
When the processing of
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、発電停止省エネ効果算出手段（ステップ１０８）が、所定時間帯に発電装置１０の発電を停止した場合の省エネルギ効果の指標の一つであるＣＯ２削減量を算出し、発電継続省エネ効果算出手段（ステップ１１０）が、所定時間帯に発電装置１０の発電を継続した場合の省エネルギ効果を発電装置１０の特性の学習値である燃料投入量特性および排熱回収量特性に基づいて算出し、比較手段（ステップ１１２）が、両省エネ効果算出手段によってそれぞれ算出された両省エネルギ効果を比較し、切替手段（ステップ７０４）が、所定時間帯に、発電装置１０の発電を継続する連続発電制御を実施するか、発電装置１０の発電を停止する発電停止制御を実施するかを比較手段による比較結果に基づいて切り替える。したがって、所定時間帯においては発電装置１０の特性の学習値に基づいて省エネ効果がある運転に適切に切り替えることができるので、製品毎の排熱回収性、発電効率性のばらつきがあっても、また経年変化による排熱回収量、発電効率が悪化しても、その影響を受けることなく、省エネ効果を高く維持したコジェネレーションシステムを提供することができる。
As is apparent from the above description, in this embodiment, the power generation stop energy saving effect calculation means (step 108) is one of the energy saving effect indexes when the power generation of the
また、所定時間帯は、負荷装置２１による電力消費量が小さい時間帯である低電力消費時間帯であるので、もともと発電出力量が少ない場合において発電効率がよくない燃料電池のコジェネレーションシステムにあっても、省エネ効果を高く維持した効率のよい運転を実施することができる。 Further, since the predetermined time zone is a low power consumption time zone in which the power consumption by the load device 21 is small, the fuel cell cogeneration system originally has a low power generation efficiency when the power generation output amount is small. However, it is possible to carry out efficient driving while maintaining a high energy saving effect.
また、低電力消費時間帯は、予め測定し記憶した電力消費量のデータから導出された一日の電力消費パターンのなかの電力消費量の最小値Ｅｍｉｎに所定値Ｃを乗算した乗算値Ｅｍｉｎ×Ｃより電力消費量が小さくなる該電力消費パターンの時間帯であるので、低電力消費時間帯を実際の電力消費パターンに応じて適切に導出することができる。 The low power consumption time period is a multiplication value Emin × a minimum value Emin of the power consumption pattern of the day derived from the power consumption data measured and stored in advance and multiplied by a predetermined value C. Since it is the time zone of the power consumption pattern in which the power consumption is smaller than C, the low power consumption time zone can be appropriately derived according to the actual power consumption pattern.
また、発電装置１０の特性は、発電装置１０の発電量と発電装置１０に投入される燃料投入量との相関関係である発電量−燃料投入量特性、および発電装置１０の発電量と貯湯槽３０に回収された排熱回収量との相関関係である発電量−排熱回収量特性であるので、より確実に省エネルギ効果を上げることができる。
Further, the characteristics of the
なお、上述した実施形態においては、発電装置１０の発電を継続する連続発電制御を実施するか、発電装置１０の発電を停止する発電停止制御を実施するかの切り替えが実施される所定時間帯を、低電力消費時間帯として設定するようにしたが、電力消費量に関係なく任意の時間帯として設定するようにしてもよい。例えば単純に時間（例えば７：００から９：００の間）で設定すればよい。この場合も、発電装置１０の運転を停止した場合と、発電を継続した場合のＣＯ２削減量を比較し、ＣＯ２削減量の多いほうの運転を選択して所定時間帯で実行するようにすればよい。また、この場合、所定時間帯において発電装置１０が比較的に高出力の発電をしている場合に発電停止処理を実施することになった場合、電力需要が高いにもかかわらず発電を停止することを警告するようにするのが好ましい。
In the above-described embodiment, the predetermined time period in which the switching between the continuous power generation control for continuing the power generation of the
また、上述した実施形態においては、省エネルギ効果の指標としてＣＯ２削減量を上げたが、他の指標（例えばエネルギ削減量、家庭の光熱費）を採用するようにしてもよい。 In the above-described embodiment, the CO 2 reduction amount is increased as an index of the energy saving effect. However, other indexes (for example, energy reduction amount, household utility cost) may be adopted.
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。
Further, as the
１０…発電装置、１０ａ…電力計、１１…発電器、１２…変換器、１３…燃料供給装置、１３ａ…流量計、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、３４…温度センサ群、３６…流量センサ、４０…運転制御装置。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
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運転制御装置と、
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、
所定時間帯に前記発電装置の発電を停止した場合の省エネルギ効果を算出する発電停止省エネ効果算出手段と、
前記所定時間帯に前記発電装置の発電を継続した場合の省エネルギ効果を前記発電装置の特性の学習値に基づいて算出する発電継続省エネ効果算出手段と、
前記両省エネ効果算出手段によってそれぞれ算出された前記両省エネルギ効果を比較する比較手段と、
前記所定時間帯に、前記発電装置の発電を継続する連続発電制御を実施するか、前記発電装置の発電を停止する発電停止制御を実施するかを前記比較手段による比較結果に基づいて切り替える切替手段と、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。 A power generator for supplying power to the load device;
An operation control device for controlling the power generation device so as to have a power generation amount corresponding to a power generation amount instruction value;
A hot water storage tank for storing hot water recovered from the exhaust heat of the power generation device;
In the cogeneration system with
A power generation stop energy saving effect calculating means for calculating an energy saving effect when power generation of the power generation device is stopped in a predetermined time zone;
A power generation continuation energy saving effect calculating means for calculating an energy saving effect when the power generation of the power generation device is continued in the predetermined time zone based on a learned value of the characteristics of the power generation device;
Comparing means for comparing the energy saving effects calculated by the energy saving effect calculating means;
Switching means for switching whether to perform continuous power generation control to continue power generation of the power generation device or to perform power generation stop control to stop power generation of the power generation device in the predetermined time zone based on the comparison result by the comparison means A cogeneration system characterized by comprising
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