JP5554269B2 - コージェネレーション・システム - Google Patents

Description

本発明は蓄電装置を組み込んだコージェネレーション・システムの系統電源停電時における制御技術に係り、特に、燃料電池を用いた家庭用システムに好適なコージェネレーション・システムの系統電源停電時における制御技術に関する。

コージェネレーション・システムは、発電時に発生する排熱を回収して同時にお湯を作り、貯湯ユニットに蓄熱して給湯需要に対応するものであり、総合熱効率が高いシステムとして注目されている（例えば特許文献１）。
現在、実用化されている燃料電池を用いた家庭用コージェネレーション・システムでは、以下のような運転制御が行われている。
（ａ）電気工事等の保安確保の観点から、停電時には逆充電防止のため発電ユニットの単独運転を停止する。
（ｂ）学習機能により予測した需要パターンによる給湯需要、電力使用量に基づいて、エネルギー効率を最適とするように起動時間及び運転スケジュールを設定し、これにより電力負荷に追随して所定の最低、最大発電量の範囲で運転する。
（ｃ）貯湯タンクが満蓄状態では発電を停止する。
（ｄ）燃料電池の耐久性確保等の観点から、一日の許容運転時間を設定している。
（ｅ）都市ガスを燃料とするコージェネレーション・システムにおいては、ガスメータの保安ロジック（※）によるガス供給遮断を回避するため、発電ユニットは所定の時間ごとに一時的に運転停止又は出力変動する（例えば特許文献３）。
（※）一定期間以上連続して流量検知した場合、内管漏洩又は機器連続使用等のおそれありとして警報を発報し、最終的にメータ遮断する。

上記（ａ）−（ｅ）は、いずれも（系統電源＋発電ユニット）による電力供給系統、かつ、系統電源停電時は電力供給停止を前提とする制御である。一方、系統電源停電時にも長時間に亘り電力供給可能なシステムとして、蓄電池をさらに備えたコージェネレーション・システムが提案されている（例えば特許文献４）。

特開２００６−１８３９４７号公報 特開２００６−１９１６９号公報 特開２００４−２５８７６７号公報 特開２００８−１１６１２号公報

しかしながら、蓄電池搭載コージェネレーション・システムにおいて、上記（ｂ）−（ｅ）による制御を踏襲した場合、停電時に以下のような問題がある。
能力的には、（蓄電池＋発電ユニット）による電力で賄える場合であっても、上記各制約により要求される発電出力が得られないという状態が発生しうる。また、蓄電池側の負担が大きくなり、蓄電容量との関係で長時間の停電に対応できないおそれがある。
さらに、建物内では蓄電池又は発電ユニットにより無瞬断で電力供給される場合には、使用者が停電を認識できないという問題もある。

本発明は、系統電源の停電発生時にも電力供給可能とし、かつ、上記諸問題を解決するシステムの制御技術を提供するものである。
本発明は、以下の内容を要旨とする。すなわち、本発明に係るコージェネレーション・システムは、
（１）発電ユニットと、発電排熱を貯湯タンクにお湯として蓄熱する貯湯ユニットと、通常は系統電源により充電を受ける蓄電ユニットと、を備え、系統電源、発電ユニット又は蓄電ユニットを適宜組み合わせて電力供給するコージェネレーション・システムであって、
系統電源停電時には、発電ユニットによる連続的電力供給を可能とする停電時発電制御手段を備えて成ることを特徴とする。

（２）上記発明において、前記停電時発電制御手段が、発電排熱を外部に放熱する外部放熱手段であることを特徴とする。

（３）上記発明において、前記発電ユニットは、通常運転時において耐久性確保又は運転効率の維持を目的として、１日あたりの運転時間を制限する、所定の発電制限制御に基づいて運転するものであり、かつ、前記停電対応制御手段が、停電中に限り該発電制限制御の適用を一時的に停止する手段であることを特徴とする。
従来コージェネレーション・システムでは、過去の電力、給湯使用実績に基づいて、一日の電力・給湯需要パターンを予測して、発電ユニットの最適運転（発電）計画を策定する。一方、発電ユニットの耐久性確保等を目的として、１日あたり総運転時間が制限（Ｈ^＊時間以下）にされている。図６は、この発電制限制御ロジックを概念的に示した図である。通常運転（給電正常）時において需要予測に基づく運転計画では、総運転時間Ｈ０、運転開始、終了時刻（Ｔａ、Ｔｂ）（同図斜線部）である場合、実際の運転スケジュールでは、予測電力需要の小さい時間帯（Ｔｃ−Ｔｄ間：同図白抜き部）に一時（ΔＨ＝Ｈ０−Ｈ^＊）運転停止とする制御が行われる。
（なお、必ずしも運転停止時間帯を設ける態様ではなく、運転開始又は終了時刻を変更する態様もある。）

本発明では、上記ロジックに従い本来運転停止時間帯に該当する場合であっても、停電時には発電制限制御を一時的に解除して、運転を継続するものである。

（４）上記発明において、前記発電ユニットは都市ガスを燃料とし、かつ、ガスメータの漏洩検知ロジックに基づくメータ遮断を回避するため、通常運転時において所定時間ごとに一定時間、前記発電ユニットの運転停止又は出力変動を行うものであり、前記停電対応制御モードが、停電中に限り該遮断回避のための運転停止又は出力変動の適用を一時的に停止する手段であることを特徴とする。
図５において、上段（ａ）はガスメータの漏洩検知ロジックを時系列的に示した図である。何らかの理由（内管漏洩又は機器連続使用等）により、ガスメータが３０日間連続して流量検知したときは、付設されている警報ランプを点滅して使用者に警告通報する。この状態で約２週間警報を続け、内部バッテリー消耗時点でメータを遮断してガス供給を停止する。
中段（ｂ）は、発電ユニットの遮断回避制御の時系列フローを示す。すなわち、発電ユニット２は２５日間連続運転の場合、強制的に一旦運転を停止し、一定時間（ΔＴ：例えば数時間〜最大２４時間程度）経過後に運転を再開する。これにより、（ａ）によるガス供給停止を回避することができる。なお、運転停止状態を一定時間（ΔＴ）継続としているのは、他のガス機器（例えば床暖房システム等）が同時使用されている場合に、当該機器が運転停止するまでの猶予時間を確保して制御ロジックリセットの確率を高め、極力メータ遮断回避を図るためである。
本発明は、停電時の利便性確保を重視し、停電発生した場合については、下段（ｃ）のフローに示すように、たとえ発電ユニットが２５日間連続運転の状態であっても、運転を継続するものである。

（５）上記発明において、使用者に停電発生を発報する警報発報手段をさらに備えたことを特徴とする。

（６）上記発明において、前記外部放熱手段が、前記貯湯タンク内のお湯温度を低下させる貯湯温度低下させる手段であることを特徴とする。

（７）上記発明において、前記外部放熱手段が、発電排熱を系外に放熱する手段であることを特徴とする。

本発明によれば、系統電源の停電発生時にも無瞬断での電力供給も可能とし、かつ、従来の発電ユニットによる学習制御や、その他の独自の出力制御機能による発電出力停止又は低減を解除することができる。
また使用者に停電発生を発報する手段を備えた発明にあっては、停電時に使用者が認知できないことによる不都合を解消することができる。

本発明の一実施形態に係るコージェネレーション・システム１の構成を示す図である。 停電時における発電排熱の放熱促進制御フローを示す図である。 通常時及び停電時における蓄電池充電制御フローを示す図である。 停電時におけるガスメータ遮断回避制御フローを示す図である。 ガスメータの漏洩検知ロジック概念を示す図である。 発電ユニット２の運転計画策定を模式的に示す図である。 発電制限制御の解除制御フローを示す図である。 停電時の使用者への通報制御フローを示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図１乃至８を参照してさらに詳細に説明する。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。

＜システム構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係るコージェネレーション・システム１の電源系統概略構成を示す図である。コージェネレーション・システム１（以下、適宜、システム１と略記する）は、外部系統電源６（商用電源）の受電点下流側に発電ユニット２と、貯湯ユニット３と、蓄電ユニット４と、システムの制御を司る制御部５と、を主要構成として備えている。受電点と発電ユニット２の間には分電盤７が介装されており、また、蓄電ユニット４は受電点６ａと分電盤７の間に介装されている。系統電源６からは、単相３線式交流電力（１００，２００Ｖ）が供給されている。蓄電ユニット４の上流側には、系統電源６からの電力供給を遮断する電源遮断装置４ｂ、４ｃ（例えばブレーカー、開閉器等）が設けられている。分電盤７の下流側にはブレーカー７ａを介して電力負荷８が接続されている。

発電ユニット２は、都市ガス中の天然ガスを水素に改質する燃料処理装置（図示せず）、水素と酸素を反応させて発電する燃料電池セルスタック（図示せず）、セルスタックにおいて得られた直流電力を交流電力に変換するインバータ（図示せず）、発電排熱及び余剰電力によるヒータ熱を回収する排熱回収装置（図示せず）等を主要構成として備えている。発電ユニット２はさらに、後述するように発電排熱を外気に放熱して、停電時に連続運転を可能とするための放熱装置（ラジエータ）２ｂを備えている。燃料である都市ガスは、ガス供給管９を介して供給される。ガス供給管９経路中には、マイコン搭載のガスメータ９ａが介装されている。なお、放熱装置２ｂは貯湯ユニット３側に付設されていてもよい。
貯湯ユニット３は、貯湯タンク３ａと、発電排熱を貯湯タンク３にお湯として回収する温水循環系統３ｂと、を主要構成として備えている。貯湯タンク３ａには、タンク内のお湯使用量に対応する冷水が水道配管１０を介して新たに補給されるように構成されている。
なお、系統電源６停電中も、都市ガス、水道は正常に供給されるものとする。

蓄電ユニット４は、系統電源蓄電する蓄電池本体４ａ、双方向インバータ（図示せず）を主要構成として備え、通常は系統電源６から、また停電時には発電ユニット２から充電を受け、かつ、負荷８への電力供給を可能とするように構成されている。
受電点６ａと分電盤７の間には停電検出装置４ｂが介装されており、その検出結果に基づいて発電ユニット２に対して後述の停電時運転制御の指令を行うように構成されている。停電検出装置はインバータに内蔵される場合が多く、過電圧、不足電圧、周波数上昇、周波数低下、受動的単独運転検知、能動的単独運転検知、逆潮流検知、不足電力検知、過電流などの保護機能の検知により停電有無を判断する。
さらに制御部５は、発電ユニット２又は蓄電ユニット４に対して以下の各制御を指示するように構成されている。さらに、機器リモコン５ａの表示パネル（図示せず）への停電発生表示指示、使用者の携帯端末１１に対するメール送信指示を可能に構成されている。制御部５は、ＣＰＵ、クロック、ＲＡＭ、ＲＯＭ、バス、Ｉ／Ｏインターフェース等を備えたマイコンを主要構成とする装置により実装でき、る。

なお、本実施形態では制御部５を独立して設ける例を示したが、発電ユニット２又は蓄電ユニット４に搭載する態様としても良い。
また、発電機として燃料電池を用いる例を示したが、これに限らずエンジン発電機を用いる態様としても良い。

＜発電排熱の放熱促進制御＞
次に、停電時において発電ユニット２の連続発電を可能とするための放熱促進制御について説明する。
図２（ａ）を参照して、系統電源６が正常に通電している場合には、発電ユニット２は通常運転制御により運転される（Ｓ１０１）。具体的には同図（ｂ）に示すように、学習機能に基づく発電スケジュールに従って、負荷追随制御により運転が行われる（Ｓ１００１）。運転中は、発電排熱は回収され貯湯タンク３側に蓄熱される（Ｓ１００２）。この状態で貯湯タンクが満蓄状態（貯湯温度が上限温度（例えば８０℃）に達した状態）に至った場合には（Ｓ１００３においてＹＥＳ）、発電ユニット２の運転が一時停止される（Ｓ１００４）。そして、満蓄状態でなくなった場合（貯湯温度低下）には（Ｓ１００３においてＮＯ）、発電ユニット２の運転が再開（又は継続）される（Ｓ１００５）。

運転中に停電検出装置４ｂにより停電検出された場合には（Ｓ１０２においてＹＥＳ）、電源遮断装置４ｂ、４ｃが遮断され系統電源側への逆充電を防止する。同時に、後述するように蓄電池側からの電力供給が行われ、さらに発電ユニット２の定格出力運転による電力供給が行われる（Ｓ１０３）。これに伴い、貯湯タンク３ａが満蓄状態の場合には（Ｓ１０４においてＹＥＳ）、放熱回路２ａ側が開かれ、放熱促進による定格運転の継続が図られる（Ｓ１０５）。貯湯タンク３ａが満蓄状態でない場合には（Ｓ１０４においてＹＥＳ）、放熱回路２ａ側は閉止される（Ｓ１０６）。
停電が継続する間は上記電力供給形態が継続され（Ｓ１０７においてＮＯ）、停電復旧した場合には、通常の系統電源及び発電ユニット２による電力供給に戻る（Ｓ１０７においてＹＥＳ）。

なお、本実施形態では放熱回路２ａ側の開放により放熱促進を図る例を示したが、これに替えて又はこれに加えて、貯湯タンク内の温水放出によりタンク内を冷水置換して、発電排熱の回収促進を図る態様としても良い。

＜蓄電池充電制御＞
次に図３を参照して、通常時及び停電時における蓄電池充電制御の形態について説明する。
通常運転時においては系統電源６からの電力供給が行われ（Ｓ２０１）、蓄電池に対して随時充電が行われる（Ｓ２０２）。運転中に停電検出装置により停電が検出された場合には（Ｓ２０３においてＹＥＳ）、電源遮断装置４ｂ、４ｃが遮断され、発電ユニット２及び蓄電池側からの電力供給に切り替えられる（Ｓ２０４）。発電ユニット２は定格出力制御又は負荷追従転制御により運転が行われる（Ｓ２０５）。この状態で発電ユニット２からの充電余裕があるか否かが判定され、充電余裕がある場合には（Ｓ２０６においてＹＥＳ）、発電ユニット２から蓄電池側に随時充電が行われる（Ｓ２０７）。なお、充電余裕の判定は負荷８の電力量及び蓄電池の残量に基づき行われる。
停電が継続する場合には（Ｓ２０８においてＮＯ）、発電ユニット２及び蓄電池側からの電力供給が継続され（Ｓ２０４以降）、停電復旧した場合に（Ｓ２０８においてＹＥＳ）、通常の系統電源６及び発電ユニット２による電力供給に戻される（Ｓ２０１以降）。

＜ガスメータ遮断回避制御＞
次に図４、５を参照して、ガスメータ遮断回避のための発電ユニット２の停電時運転制御の態様について説明する。
図４（ａ）を参照して、系統電源６が正常の場合には、ガスメータ遮断回避制御（図５（ａ））により運転される（Ｓ３０１）。具体的には、図４（ｂ）に示すように学習機能に基づく発電スケジュールに従って、発負荷追随制御により運転が行われる（Ｓ３００１）。この間、連続運転時間の積算が行われる（Ｓ３００２）。そして、２５日間連続して運転が行われた場合には（Ｓ３００３においてＹＥＳ）、発電ユニット２の運転が一時停止される（Ｓ３００４）。そして、所定時間経過後に（Ｓ３００５においてＹＥＳ）、発電ユニット２の運転が再開される（Ｓ３００６）。

運転中に停電検出装置により停電が検出された場合には（Ｓ３０２においてＹＥＳ）、連続運転時間積算が一時停止される（Ｓ３０３）。停電が継続する限り上記電力供給形態が継続される（Ｓ３０４においてＮＯ）。停電復旧した場合には（Ｓ３０４においてＹＥＳ）、連続運転時間積算が再開され（Ｓ３０５）、通常のガスメータ遮断回避制御に戻る（Ｓ３０１）。

＜発電制限制御の解除＞
次に図６、７を参照して、通常時における発電ユニット２の耐久性確保のための発電制限制御と、停電時におけるその適用停止制御の態様について説明する。
図７（ａ）を参照して、電源供給正常時には、上述の発電制限制御（図６）に基づき運転制御が行われる（Ｓ４０１）。具体的には図７（ｂ）において、予め、所定の耐久時間に基づいて一日あたり許容運転時間が設定されている（Ｓ４００１）。発電ユニット２は、当該使用者の１日ごとに電力需要パターン及び給湯使用量予測に基づいて運転（発電）計画を策定する（Ｓ４００２）。この場合、計画運転時間が許容運転時間を超えている場合には（Ｓ４００３においてＹＥＳ）、運転停止時間帯が設定される（Ｓ４００４）。そして、許容運転時間、運転停止時間帯を考慮した発電スケジュールに従い、発電ユニット２の運転が行われる（Ｓ４００５）。
Ｓ４０１による運転中に停電が検出された場合には（Ｓ４０２においてＹＥＳ）、上記発電制限制御が解除され、発電ユニット２は定格能力により連続運転が行われる（Ｓ４０３）。その後、停電継続する間はＳ４０３の制御が引き続き行われるが（Ｓ４０４においてＮＯ）、停電復旧した場合には（Ｓ４０４においてＹＥＳ）、発電制限制御（Ｓ４０１）に戻る。

＜停電時の使用者への通報制御＞
次に図８を参照して、停電時における使用者への通報制御について説明する。
系統電源６が正常に通電されている場合には、発電ユニット２は通常運転制御により運転される（Ｓ５０１）。運転中に停電検出装置により停電が検出された場合には（Ｓ５０２においてＹＥＳ）、制御部５の指示により機器リモコン５ａの表示パネル（図示せず）に「停電発生」の表示が行われ（Ｓ５０３）、さらに携帯端末へのメール送信が行われる（Ｓ５０４）。これらの通報手段により需要者は停電発生を認知することができる。その後、停電復旧した場合には（Ｓ５０５においてＹＥＳ）、機器リモコン５ａ及び携帯端末を通じて「停電復旧」の通報が出される（Ｓ５０６、Ｓ５０７）。
なお、本実施形態ではリモコン及び携帯端末による通報の例を示したが、いずれか一方のみによる通報であってもよい。また、携帯端末に替えてＰＣへのメール送信としても良い。

本発明は、家庭用のみならず、同様の制御構成を備えた業務用等、他の用途向けのコージェネレーション・システムにも広く適用可能である。

１・・・・コージェネレーション・システム
２・・・・発電ユニット
２ａ・・・放熱装置
３・・・・貯湯ユニット
４・・・・蓄電ユニット
５・・・・制御部
５・・・・温水循環系統
６・・・・系統電源
７・・・・分電盤

Claims (6)

1. 発電ユニットと、発電排熱を貯湯タンクにお湯として蓄熱する貯湯ユニットと、通常は系統電源により充電を受ける蓄電ユニットと、を備え、系統電源、発電ユニット又は蓄電ユニットを適宜組み合わせて電力供給するコージェネレーション・システムであって、
   系統電源停電時には、発電ユニットによる連続的電力供給を可能とする停電時発電制御手段を備えて成り、
   前記発電ユニットは、通常運転時において耐久性確保又は運転効率の維持を目的として、１日あたりの運転時間を制限する、所定の発電制限制御に基づいて運転するものであり、かつ、
   前記停電時発電制御手段が、停電中に限り該発電制限制御の適用を一時的に停止する手段を、さらに備えた、
   ことを特徴とするコージェネレーション・システム。
2. 発電ユニットと、発電排熱を貯湯タンクにお湯として蓄熱する貯湯ユニットと、通常は系統電源により充電を受ける蓄電ユニットと、を備え、系統電源、発電ユニット又は蓄電ユニットを適宜組み合わせて電力供給するコージェネレーション・システムであって、
   系統電源停電時には、発電ユニットによる連続的電力供給を可能とする停電時発電制御手段を備えて成り、
   前記発電ユニットは都市ガスを燃料とし、かつ、ガスメータの漏洩検知ロジックに基づくメータ遮断を回避するため、通常運転時において所定時間ごとに一定時間、前記発電ユニットの運転停止又は出力変動を行うものであり、
   前記停電時発電制御手段が、停電中に限り該遮断回避のための運転停止又は出力変動の適用を一時的に停止する手段であることを特徴とするコージェネレーション・システム。
3. 前記停電時発電制御手段が、発電排熱を外部に放熱する外部放熱手段であることを特徴とする請求項１又は２に記載のコージェネレーション・システム。
4. 前記外部放熱手段が、前記貯湯タンク内のお湯温度を低下させる貯湯温度低下させる手段であることを特徴とする請求項３に記載のコージェネレーション・システム。
5. 前記外部放熱手段が、発電排熱を系外に放熱する手段であることを特徴とする請求項３に記載のコージェネレーション・システム。
6. 請求項１乃至５のいずれかにおいて、使用者に停電発生を発報する警報発報手段をさらに備えたことを特徴とするコージェネレーション・システム。
   

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