【手続補正書】
【提出日】平成16年7月21日(2004.7.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】      明細書
【発明の名称】  エネルギ供給システムの制御装置およびその制御方法
【特許請求の範囲】
【請求項１】  太陽電池モジュールによる発電手段と、太陽光による熱の供給手段と、燃料電池による発電手段と、エンジンやガスタービンなどの内燃機関や外燃機関で発電した電力やその排熱によるエネルギ供給手段と、ボイラによる熱の供給手段と、商用電力による電力供給手段のすべてあるいはいずれかを設けた多種複数のエネルギ機器を有する住宅や集合住宅などのエネルギ供給システムを制御する制御装置であって、
年間の各日時におけるエネルギ需要量を予測したエネルギ需要マップデータ、およびエネルギ需要量に応じてエネルギ供給システムを所定の目的に応じて運転動作させるために所定の目的関数に従って作成されたスケジュールのデータであるシステム運転マップデータとを記憶しているとともに、実際のエネルギ需要量の信号を入力するシステムコントローラを備えており、
前記システムコントローラは、実際のエネルギ需要量と前記エネルギ需要マップデータにおける予測のエネルギ需要量とを比較して、その差が小さい場合には、前記エネルギ需要マップデータに基づく前記システム運転マップデータに従ってスケジュール運転制御を行い、実際のエネルギ需要量と予測されたエネルギ需要量との差が大きい場合には、前記システム運転マップデータと実際のエネルギ需要量に基づいて負荷追従制御を行うようにしたことを特徴とするエネルギ供給システムの制御装置。
【請求項２】  請求項１において、前記システム運転マップデータは、目的関数として、エネルギコストを最小とする関数、または排気ガスの排出量等の環境負荷を最小とする関数、もしくは従来のエネルギ供給方法と比較して省エネルギを最小とする関数のうち、いずれか１つの関数に従って作成されていることを特徴とするエネルギ供給システムの制御装置。
【請求項３】  請求項２において、前記システム運転マップデータをエネルギコストが最小になる目的関数に従って作成する場合、システムコントローラが、【数５】
2001295700.tif 000001
によりエネルギ供給システムおよび商用電力によるエネルギ供給時のエネルギコストを計算するとともに、【数６】
2001295700.tif 000002
および【数７】
2001295700.tif 000003
に従って一日間のエネルギコストおよび一年間のエネルギコストが最小値になるように制御することを特徴とするエネルギ供給システムの制御装置。
【請求項４】  請求項１から請求項３のいずれかにおいて、システムコントローラは、エネルギ需要マップデータにおける予測のエネルギ需要量と実際のエネルギ需要量とのずれの量を記憶して、前記エネルギ需要マップデータを更新して負荷の将来予測に用いることを特徴とするエネルギ供給システムの制御装置。
【請求項５】  請求項１から請求項４のいずれかにおいて、実際のエネルギ需要量は、蓄熱タンクでの蓄熱量、および燃料電池を用いる際に電気分解槽で製造されて貯蔵される水素タンクと酸素タンクの残量をモニタすることにより取得することを特徴とするエネルギ供給システムの制御装置。
【請求項６】  太陽電池モジュールによる発電手段と、太陽光による熱の供給手段と、燃料電池による発電手段と、エンジンやガスタービンなどの内燃機関や外燃機関で発電した電力やその排熱によるエネルギ供給手段と、ボイラによる熱の供給手段と、商用電力による電力供給手段のすべてあるいはいずれかを設けた多種複数のエネルギ機器を有する住宅や集合住宅などのエネルギ供給システムを制御する制御方法であって、
エネルギ需要マップデータにおける予測のエネルギ需要量と実際のエネルギ需要量との差が小さい場合には、その予測のエネルギ需要量に対するエネルギ供給システムの運転動作を所定の目的関数に従って作成されたシステム運転マップデータによってスケジュール運転制御し、前記予測のエネルギ需要量と実際のエネルギ需要量との差が大きい場合には、前記システム運転マップデータと実際のエネルギ需要量とに基づいて負荷追従制御を行うようにしたことを特徴とするエネルギ供給システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に熱エネルギ需要の多い施設や寒冷地住宅でのエネルギ供給システム、あるいはエネルギ供給のインフラストラクチャが整備されていない僻地でのエネルギ供給システム、あるいは災害時に利用する施設でのエネルギ供給システム、あるいは既設施設での非常用エネルギ供給システムを制御する装置およびその制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自律型エネルギ供給システムとして、太陽電池モジュール、燃料電池、さらに堆肥化装置などを組み合わせたものが提案されている（例えば、特願平１０−２２５１５５、特願平１０−１５８２２８、特願平１０−１４１４６５）。また、コージェネレーションの最適運転方法を演算してエネルギ供給システムを制御する方法として例えば特開平０８−０８６２４３が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
特に寒冷地では暖房、給湯および融雪などの熱利用が多いことから、別途ボイラなどの熱供給機器を付加することが多く、これに際して太陽電池もしくは燃料電池で発電された電力もしくは排熱を熱需要側で満足するような機器の選定を行うと、化石燃料を用いる従来のボイラに比べて高コストとなったり、設備の大型化が伴う。また、特開平０８−０８６２４３に記されているコージェネレーションシステムの制御手法では、過去の運転実績や季節等のデータ、所定時間経過後の電力負荷を推定する手段、推定電力負荷に基づいた電力負荷追従運転、熱負荷追従運転、複数台定格運転、１台部分負荷運転、原動機停止運転の夫々の運転方式についてのエネルギシミュレーションを行う手段、エネルギシミュレーションの結果から各運転方式のエネルギ消費量を算出する手段、算出した夫々の運転方式を比較して、エネルギ消費量、コスト等の最小化すべき目的関数に合致する運転方式を選択する手段と、選択した運転方式に基づいてシステムを運転する手段を要することから、住宅などの小規模なシステムを制御するには煩雑なデータの準備と制御コンピュータでの複雑なアルゴリズムの入力を要し、制御を行うための設備や準備に要するコストが高いという問題がある。
【０００４】
そこで本発明では太陽電池、燃料電池および内燃機関や外燃機関によるコージェネレーションシステム、ボイラなどの熱供給機器とを組み合わせて、特に寒冷地での熱需要についても十分自律可能なエネルギ供給システムを構築し、エネルギコストが最小となるような最適化運転、あるいは例えば排気ガスの排出量が最小となるような最適化運転、あるいは従来のエネルギ供給方法と比較して省エネルギが最も達成されるシステムの最適化運転について、エネルギ需要マップデータと、予め電力需要と熱需要に対するエネルギ供給システムの運転動作を計算したシステム運転マップデータとをシステムコントローラに記憶しておくことで、エネルギ需要マップデータに基づくスケジュール運転制御を行い、エネルギ需要マップデータと実際のエネルギ需要量とが大きく外れる場合には、即座に負荷追従制御に切り替えることで、エネルギ供給システムの最適化制御について低コストで行うことを可能とする。
【０００５】
本発明の目的は、前述の不都合を解消し、住宅や集合住宅などのエネルギ供給について省コスト、省エネルギ、あるいは低環境負荷の低減を目的関数として、多種複数の既設エネルギ設備、もしくは新設エネルギ設備、もしくは既設設備へのエネルギ設備の付加に対してエネルギ供給システム全体での最適化運転を低コストで行うことを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の問題点を解決するために、本発明では、エネルギ供給システム全体をコントロールするシステムコントローラにエネルギコストが最小となるようなシステム運転マップデータ、あるいは例えば排気ガスの排出量などの環境負荷が最小限となるようなシステム運転マップデータ、あるいは灯油ボイラと商用電力との組み合わせに代表される従来型のエネルギ供給方法や既設のエネルギ設備と比較して省エネルギが最も多く達成されるシステム運転マップデータを、予めエネルギ供給システムを構成する要素の試験やシミュレーションを行った結果を利用して作成し、システムコントローラに記憶させておく。各システム運転マップデータは、事前に試験やシミュレーションなどで得られた燃料消費量、電力消費量、および動作範囲などについて近似式を用いて数式化しておく。システムコントローラ内部では、スケジュール運転制御を行うためのエネルギ需要マップデータとカレンダおよびタイマがセットされており、通常エネルギ供給システムの運転動作ではエネルギ需要マップデータと各システム運転マップデータからスケジュール運転制御される。これに対して、エネルギ需要マップデータと実際のエネルギ需要量とが大きくずれるような場合には、即座に各システム運転マップデータと実際のエネルギ需要量に基づいて負荷追従制御を行い、この際のずれの量をシステムコントローラの記憶装置に記憶してエネルギ需要マップデータを更新して負荷の将来予測に用いる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
【実施例１】
図１は本発明の運転動作マップによる制御を行うエネルギ供給システムおよびその制御装置の基本概念図であり、燃料電池４、太陽光発電装置５、商用電力６、エンジン発電機７、太陽光集熱器８、ボイラ１０、その他のエネルギ機器１１の付加について、システムコントローラ１の演算結果から与えられる指令に基づいてエネルギ供給システム全体の最適化運転制御が行われる。
【０００８】
システムコントローラ１内部には、カレンダおよびタイマが組み込まれており、さらに過去のエネルギ需要の履歴に基づいて補正されるエネルギ需要マップデータ２、および予め試験評価やシミュレーションなどによって得られたシステム運転マップデータ３も記憶されている。システム運転マップデータ３は、省エネルギ、低コストおよび排ガスの低減などについて集約したデータであり、エネルギ需要者１７が必要とする電力需要量と熱需要量の値と、エネルギ需要マップデータ２から求められる各需要量とを常に比較しつつ、今後の需要量予測を行う。
【０００９】
この際に、実際のエネルギ需要量は、蓄熱タンク１４での蓄熱量や、燃料電池４を用いる際に電気分解槽１８で製造されて貯蔵される水素タンク１９と酸素タンク２０の残量をモニタするなどしてシステム運転マップデータ３と共に最適化されたスケジュール運転制御の計算に用いたエネルギ需要量との差を常時監視して、再度最適化の演算を行ってエネルギ供給システムの運転制御を行う。
【００１０】
電力の供給については、燃料電池４、太陽光発電装置５、およびエンジン発電機７などによる電力供給系統と商用電力６系用とは切替器１３に個別に接続されており、高速切替器で電力供給系統の選択を行うことから、瞬停は生じない。また、電力の一部を蓄熱タンク１４内に設置されている電気ヒータ１５によって熱に変換できることから、内燃機関や外燃機関での最高効率点における運転を行い、余剰電力を熱に変換して蓄熱することができる。エネルギ供給システムからの熱供給量が需要に対して少ない場合には、補助ボイラ１６によって追い炊きができる。
【００１１】
図２はエンジン発電機７による燃料消費量とエネルギ出力量の関係を例としたときの、システム運転マップデータ３作成時の基本となる要素データである。各種エネルギ機器について電力出力量、熱エネルギ出力量、エネルギ損失量、および燃料消費量を本図の例のように事前に試験もしくはシミュレーションしてデータを得ておく。
【００１２】
図３はエンジン発電機７のエンジン回転数に対する電力出力、および電力単位出力当りの燃料消費量を例としたときの、システム運転マップデータ３作成の基本となる要素データである。この例ではエンジン発電機７の回転数に対する電力出力を挙げているが、他のエネルギ機器についても、電力出力や熱出力に対して影響を与える要因とその量との関係を求めておく。
【００１３】
数１はサンプリング時刻におけるエンジン発電機７の燃料消費量の関係式を示す。ボイラ１０などのエネルギ供給システムを構成する要素全てについて同様な関係式を導入する。
【数１】
2001295700.tif 000004
数２は サンプリング時刻におけるエンジン発電機７のジャケット温水熱出力の関係式を示す。ボイラ１０などのエネルギ供給システムを構成する要素全てについて同様な関係式を導入する。
【数２】
2001295700.tif 000005
数３はサンプリング時刻におけるエンジン発電機７の排ガス熱出力の関係式を示す。ボイラ１０などのエネルギ供給システムを構成する要素全てについて同様な関係式を導入する。
【数３】
2001295700.tif 000006
数４はエンジン発電機７に投入する燃料量の拘束条件式を示す。ボイラ１０などのエネルギ供給システムを構成する要素全てについて、燃料消費量、流量、電力消費量などを用いて同様な拘束条件式を与える。
【数４】
2001295700.tif 000007
【００１４】
数５はサンプリング時刻間隔における商用電力６供給時およびエネルギ供給システムによるエネルギ供給時の運転コスト計算式を示す。別個のボイラ１０など、他にエネルギ機器を追加する場合には、本式に該当する各式を付与する。この他に省エネルギや環境負荷などについての式も与えられ、従来型エネルギ供給方法（買電やボイラあるいは既設設備など）と比較演算される。
【数５】
2001295700.tif 000008
数６は制御動作の目的関数を示す。この場合にはエネルギ供給システムは１日間を最低コストで運転するように制御される。この他の目的関数として、省エネルギや環境負荷などについて与えられ、従来型エネルギ供給方法（買電やボイラあるいは既設設備など）と比較演算される。
【数６】
2001295700.tif 000009
数７は制御動作の目的関数を示す。この場合にはエネルギ供給システムは１年間を最低コストで運転するように制御される。この他の目的関数として、省エネルギや環境負荷などについて与えられ、従来型エネルギ供給方法（買電やボイラあるいは既設設備など）と比較演算される。
【数７】
2001295700.tif 000010
【００１５】
図４は本発明のエネルギ供給システムの最適化運転動作を決める計算のフロー図である。システムコントローラ１では、エネルギ需要量の信号を入力し、この値とエネルギ需要予測マップデータ２とを比較して、その差が小さい場合にはスケジュール運転制御のフローに進み、大きい場合には負荷追従制御のフローに進む。この図のフローに則り、システムコントローラ１で随時最適化運転動作を演算して、エネルギ供給システムに運転制御信号を発する。
【００１６】
図５は図４のアルゴリズムを計算して得られた代表日各時刻でのエネルギ供給システムの動作と運転コストとの関係を示したものである。運転コストが最小となるような動作条件を得る場合には、各時刻での縦軸方向に最も低い谷を探索することで決まる。同様にして、省エネルギや環境負荷などについてもこの図と同様な３次元での関係が得られる。
【００１７】
図６は図５に基づいて作成されたシステム動作と、電力および熱出力の関係を示すマップデータである。各動作について供給すべき燃料の発熱量が知れることから、これに燃料単価を乗じるとコストマップとして利用できる。同様にして省エネルギや環境負荷などについてもこのようなマップデータが与えられる。図７は本発明の実施例１による最適化運転動作に基づくスケジュール運転制御および負荷追従制御を加えたときのシステム運転動作の例である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本的な概念図である。
【図２】エンジン発電機の燃料消費量とエネルギ出力の関係図である。
【図３】エンジン発電機の回転数と電力出力、および単位発電出力あたりの燃料消費量の関係である。
【図４】本発明による制御アルゴリズムのフロー図である。
【図５】制御アルゴリズムによって求められる、システムの動作と運転コストの結果グラフである。
【図６】システムの動作を最適化したときの運転動作マップデータの例である。
【図７】本発明による制御アルゴリズムを搭載したシステムコントローラを持つエネルギ供給システムの制御運転結果の例である。
【符号の説明】
１  システムコントローラ
２  エネルギ需要マップデータ
３  システム運転マップデータ
４  燃料電池
５  太陽光発電装置
６  商用電力
７  エンジン発電器
８  太陽光集熱器
１０  ボイラ
１１  その他のエネルギ機器
１２  ＤＣ／ＡＣインバータ
１３  切替器
１４  蓄熱タンク
１５  電気ヒータ
１６  補助ボイラ
１７  エネルギ需要者
１８  電気分解槽
１９  水素タンク
２０  酸素タンク
２２  スイッチ