(57)【要約】【課題】コジェネレーションシステムと太陽光発電システムとを組み合わせるに際してコストアップを抑えること。【解決手段】実施形態による運転制御装置は、太陽エネルギーを用いて発電を行う太陽光発電システムが供給する電力と合わせて電力負荷に電力を供給するコジェネレーションシステムの運転制御装置である。コジェネレーションシステムの運転制御装置は、計測される水温もしくは気温から日照時間もしくは日射量を求め、当該日照時間もしくは日射量から前記太陽光発電システムの発電量を求めた上で、前記コジェネレーションシステムの運転計画の策定もしくは発電出力の決定を行う制御手段を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽エネルギーを用いて発電を行う太陽光発電システムが供給する電力と合わせて電力負荷に電力を供給するコジェネレーションシステムの運転制御装置であって、
計測される水温もしくは気温から日照時間もしくは日射量を求め、当該日照時間もしくは日射量から前記太陽光発電システムの発電量を求めた上で、前記コジェネレーションシステムの運転計画の策定もしくは発電出力の決定を行う制御手段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の運転制御装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記計測手段により計測される水温から日射開始時刻および日射終了時刻を求め、当該日射開始時刻および日射終了時刻から前記太陽光発電システムの発電量を求めた上で、前記コジェネレーションシステムの運転計画の策定を行うことを特徴とする請求項１に記載のコジェネレーションシステムの運転制御装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記計測手段により計測される水温から日射開始時刻および日射終了時刻を求めるに際し、所定の演算式もしくは変換表を用いることを特徴とする請求項２に記載のコジェネレーションシステムの運転制御装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記計測手段により計測される水温および気温から日射量を求め、当該日射量から前記太陽光発電システムの発電量を求めた上で、前記コジェネレーションシステムの発電出力の決定を行うことを特徴とする請求項１に記載のコジェネレーションシステムの運転制御装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記計測手段により計測される水温および気温から日射量を求めるに際し、所定の演算式もしくは変換表を用いることを特徴とする請求項４に記載のコジェネレーションシステムの運転制御装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記太陽光発電システムが設置される地域に応じて異なる演算式もしくは変換表を用いることを特徴とする請求項３又は５に記載のコジェネレーションシステムの運転制御装置。
【請求項７】
前記太陽光発電システムが設置される地域に対応する演算式もしくは変換表を選択可能な操作手段を更に具備することを特徴とする請求項６に記載のコジェネレーションシステムの運転制御装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の運転制御装置を有することを特徴とするコジェネレーションシステム。
【請求項９】
前記コジェネレーションシステムは、水素と酸素との電気化学的反応により発電を行う燃料電池システムであることを特徴とする請求項８に記載のコジェネレーションシステム。
【請求項１０】
太陽エネルギーを用いて発電を行う太陽光発電システムが供給する電力と合わせて電力負荷に電力を供給するコジェネレーションシステムの運転方法であって、
計測される水温もしくは気温から日照時間もしくは日射量を求め、当該日照時間もしくは日射量から前記太陽光発電システムの発電量を求めた上で、前記コジェネレーションシステムの運転計画の策定もしくは発電出力の決定を行うことを特徴とするコジェネレーションシステムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、コジェネレーションシステム、コジェネレーションシステムの運転制御装置、およびコジェネレーションシステムの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば家庭用の燃料電池システムは、都市ガスやＬＰガス等を用いて発電を行いながらその排熱を利用して湯を生成するコジェネレーションシステムの一つである。このようなシステムを設置した家庭では、従前のように電力を商用電力系統のみから供給し湯を給湯ボイラのみから供給する家庭に比べ、大きな省エネ効果が期待できる。
【０００３】
一方で、太陽光発電システムは、太陽エネルギーを有効に使うための手段として近年注目を集めており、戸建の家屋への設置が進められている。家庭によっては、この太陽光発電システムと燃料電池システムの両方を設置する場合もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１８２０７３号公報
【特許文献２】特開２０１０−６７５１２号公報
【特許文献３】特許第４２２９８６５号公報
【特許文献４】特開２００７−１７３６５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
例えば太陽光発電システムと燃料電池システムの両方を設置して、設置家庭の経済負担の低減、もしくは一次エネルギー消費量や二酸化炭素排出量の低減を図る場合、燃料電池システムの運転においては、太陽光発電システムの発電量を左右する日照時間もしくは日射量をも加味して運転計画の策定もしくは発電出力の決定を行えるようにすることが望まれる。しかしながら、将来の日照時間や日射量を予測するとなると、一般に、必要な情報を得るために高価な装備を設けることなるため、製作において大きなコストアップが生じる。
【０００６】
発明が解決しようとする課題は、コジェネレーションシステムと太陽光発電システムとを組み合わせるに際してコストアップを抑えることが可能なコジェネレーションシステム、コジェネレーションシステムの運転制御装置、およびコジェネレーションシステムの運転方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態による運転制御装置は、太陽エネルギーを用いて発電を行う太陽光発電システムが供給する電力と合わせて電力負荷に電力を供給するコジェネレーションシステムの運転制御装置である。コジェネレーションシステムの運転制御装置は、計測される水温もしくは気温から日照時間もしくは日射量を求め、当該日照時間もしくは日射量から前記太陽光発電システムの発電量を求めた上で、前記コジェネレーションシステムの運転計画の策定もしくは発電出力の決定を行う制御手段を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】一実施形態に係る電力供給システムの全体構成の一例を示すブロック図。
【図２】温度計測装置により計測される市水温度が運転制御装置に伝えられる様子を示す概念図。
【図３】所定の演算式に示される予測関数を示すグラフ。
【図４】ある地域における市水温度に対する日射開始時刻および日射終了時刻の実測値と、所定の演算式による予測関数（もしくは予測値）とを対比させて示すグラフ。
【図５】温度計測装置により計測される市水温度、および温度計測装置により計測される気温が、運転制御装置に伝えられる様子を示す概念図。
【図６】ある地点における季節ごとの日射量の実測値と、所定の演算式による予測値とを対比させて示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、実施の形態について説明する。
【００１０】
図１は、一実施形態に係る電力供給システムの全体構成の一例を示すブロック図である。
【００１１】
図１の電力供給システムは、例えば一般家庭に設置されるものであり、燃料電池システム１と太陽光発電システム２とを含む。
【００１２】
燃料電池システム１および太陽光発電システム２は、それぞれ、電力会社側の商用系統Ｃと家庭側の家電機器等の電力負荷ＰＬとを結ぶラインに電気的に接続される。また、燃料電池システム１には、給湯器等の熱負荷ＨＬが接続される。
【００１３】
燃料電池システム１および太陽光発電システム２からはそれぞれ交流電気が出力され、各交流電気は商用系統Ｃから供給される交流電気と合わせて電力負荷ＰＬへ供給される。但し、太陽光発電システム２で発電した分を電力会社に売電することが許可されており、且つ、燃料電池システム１が発電する電力と太陽光発電システム２が発電する電力とを合わせた電力が電力負荷ＰＬでの消費電力を上回る場合は、太陽光発電システム２が発電する電力を超えない範囲内で、余った電力が商用系統Ｃに逆潮流される。この場合、商用系統Ｃに逆潮流される電力の売電料金を電力会社から受け取ることができる。
【００１４】
燃料電池システム１は、都市ガスやＬＰガス等を用いて発電を行いながらその排熱を利用して湯を生成するコジェネレーションシステムであり、燃料電池ユニット１１と貯湯ユニット１２とを有する。
【００１５】
燃料電池ユニット１１は、燃料供給器１００、改質器１０１、燃料電池本体１０２、インバータ１０３、熱交換器１０４、運転制御装置１０５、および温度計測装置１０６を有する。一方、貯湯ユニット１２は、貯湯タンク２００、ボイラ２０１、および温度計測装置２０２を有する。
【００１６】
燃料電池ユニット１１において、燃料供給器１００は、都市ガスやＬＰガス等の燃料を取り込む。改質器１０１は、この燃料を水素リッチな改質ガスに変換する。燃料電池本体１０２は、この改質ガス中の水素と空気中の酸素との電気化学的な反応により直流電気を生成する。インバータ１０３は、この直流電気を交流電気に変換する。この交流電気は、燃料電池ユニット１１から出力され、太陽光発電システム２から出力される交流電気と合せて電力負荷ＰＬへ供給される。熱交換器１０４は、燃料電池本体１０２との間で冷却水を通じて熱交換を行うと共に、貯湯ユニット１２側の貯湯タンク２００との間で排熱回収水を通じて熱交換を行い、燃料電池本体１０２から貯湯タンク２００へ熱を伝える。
【００１７】
運転制御装置１０５は、燃料電池システム１の運転の制御を司るものであり、例えば学習制御を通じて、電力負荷ＰＬにおける電力使用量や、熱負荷ＨＬにおける熱使用量（もしくは湯使用量）の計測値を取り込みつつ、将来の電力負荷ＰＬにおける電力使用量や熱負荷ＨＬにおける熱使用量（もしくは湯使用量）を予測し、さらに太陽光発電システム２の発電量なども予測した上で、燃料電池システム１の起動・停止のタイミングや発電出力を決めて運転を行う機能を備えている。運転制御装置１０５は、燃料供給器１００の出力を制御することにより燃料電池システム１（もしくは燃料電池ユニット１１）の発電出力を制御することができる。
【００１８】
特に、運転制御装置１０５は、後述する温度計測装置２０２により計測される市水の温度もしくは温度計測装置１０６により計測される気温から、所定の演算式もしくは変換表を用いて、日照時間（例えば日射開始時刻および日射終了時刻の情報）もしくは日射量を求め、当該日照時間もしくは日射量を用いて、太陽光発電システム２の発電量を予測した上で、燃料電池システム１の運転計画の策定もしくは発電出力の決定を行う機能を備えている。制御方式としては、以下の２つのいずれかが適用される。
【００１９】
第１の制御方式は、所定期間、例えば２４時間分の運転計画を予め立てておき、その運転計画に従って運転する方式である。第２の制御方式は、運転計画を立てずに、発電出力をリアルタイムに決定しながら運転する方式である。各制御方式の運転制御装置１０５への適用例については、後で述べる。
【００２０】
なお、図１の例では、運転制御装置１０５は、燃料電池ユニット１１の内側に設置されているが、設置場所はこれに限定されず、燃料電池システム１の運転の制御を行える環境であれば別の場所に設置されてもよい。例えば、燃料電池システム１の内側で且つ燃料電池ユニット１１および貯湯ユニット１２の外側に配置されてもよいし、あるいは貯湯ユニット１２の内側に配置されてもよいし、あるいは燃料電池システム１の外側に配置されてもよい。
【００２１】
温度計測装置１０６は、気温を計測する一般的な温度センサである。その計測結果は、運転制御装置１０５へ伝えられる。なお、図１の例では、温度計測装置１０６は、燃料電池ユニット１１の内側に設置されているが、設置場所はこれに限定されず、測定結果が運転制御装置１０５へ伝えられるのであれば別の場所に設置されてもよい。例えば、燃料電池システム１の内側で且つ燃料電池ユニット１１および貯湯ユニット１２の外側に配置されてもよいし、あるいは貯湯ユニット１２の内側に配置されてもよいし、あるいは燃料電池システム１の外側に配置されてもよい。
【００２２】
一方、貯湯ユニット１２において、貯湯タンク２００は、給水配管から供給される市水により水で満たされる。ボイラ２０１は、貯湯タンク２００からの湯または水を加熱し、加熱後の湯を熱負荷ＨＬへ供給する。
【００２３】
温度計測装置２０２は、水の温度、例えば給水配管から貯湯ユニット１２内の貯湯タンクに供給される市水の温度を計測する一般的な温度センサである。その計測結果は、運転制御装置１０５へ伝えられる。なお、図１の例では、温度計測装置２０２は、貯湯ユニット１２の内側に設置されているが、設置場所はこれに限定されず、測定結果が運転制御装置１０５へ伝えられるのであれば別の場所に設置されてもよい。例えば、燃料電池システム１の内側で且つ燃料電池ユニット１１および貯湯ユニット１２の外側に配置されてもよいし、あるいは燃料電池ユニット１１の内側に配置されてもよいし、あるいは燃料電池システム１の外側に配置されてもよい。
【００２４】
貯湯タンク２００内の水は、燃料電池ユニット１１側の熱交換器１０４に排熱回収水として供給され、また、燃料電池本体１０２の熱を回収した冷却水は熱交換器１０４へ供給される。これにより、熱交換器１０４において熱交換が行われ、冷却水の熱が排熱回収水へと移動する。熱交換器１０４で加熱された排熱回収水は、湯となって貯湯タンク２００に戻る。一方、冷却された冷却水は、再び燃料電池本体１０２へ供給される。
【００２５】
例えば家庭で湯が使われる場合、貯湯タンク２００内の湯と市水とを合わせて所定温度にした湯が熱負荷ＨＬへ供給される。但し、貯湯タンク２００内に充分な温度の湯が無いときは、ボイラ２０１で加熱した後の湯と市水とで所定温度の湯が作られてから熱負荷ＨＬへ供給される。
【００２６】
一方、太陽光発電システム２は、太陽エネルギーを用いて発電を行うシステムであり、太陽光発電装置３００と、インバータ３０１とを有する。
【００２７】
太陽光発電装置３００は、パネルを通じて得られる太陽光エネルギーから直流電気を生成する。インバータ３０１は、太陽光発電装置３００により生成される直流電気を交流電気に変換する。この交流電気は、太陽光発電システム２から出力され、燃料電池システム１（もしくは燃料電池ユニット１１）から出力される交流電気と合せて電力負荷ＰＬへ供給される。
【００２８】
（第１の制御方式の適用例）
運転制御装置１０５に第１の制御方式が適用される場合の制御の一例について説明する。第１の制御方式は、所定期間、例えば２４時間分の運転計画を予め立てておき、その運転計画に従って運転する方式である。
【００２９】
運転制御装置１０５は、図２の概念図に示されるように、温度計測装置２０２により計測される市水温度のデータを取り込み、このデータから、１日毎の日照時間、例えば日射開始時刻および日射終了時刻を予測する。具体的には、運転制御装置１０５は、温度計測装置２０２により計測される市水温度から、所定の演算式もしくは変換表を用いて、日射開始時刻および日射終了時刻を求め、当該日射開始時刻および日射終了時刻から太陽光発電システム２の発電量を求め、この太陽光発電システム２の発電量を加味して燃料電池システム１の運転計画を策定する。
【００３０】
運転制御装置１０５は、市水温度から日射開始時刻および日射終了時刻を予測するに際し、例えば以下の２つの演算式を使用する。
【００３１】
（日射開始時刻）＝−0.0613×（市水温度）＋7.7422      …（１）
（日射終了時刻）＝  0.0717×（市水温度）＋16.799      …（２）
なお、ここで示した演算式は一例であり、市水温度から日射開始時刻および日射終了時刻を予測できる演算式であれば別の演算式を採用してもよい。
【００３２】
図３は、式（１），式（２）に示される予測関数を示すグラフである。図３からわかるように、式（１），式（２）に示される２つの予測関数を用いることにより、市水温度から日射開始時刻および日射終了時刻をそれぞれ求めることができる。
【００３３】
図４は、ある地域における市水温度に対する日射開始時刻および日射終了時刻の実測値と、式（１），式（２）による予測関数（もしくは予測値）とを対比させて示すグラフである。グラフ中の実測値は、ある地域における５箇所での一年間の日射開始時刻および日射終了時刻と市水温度との関係を日ごとに実測して得られた結果を点の形でプロットしたものである。このグラフから、予測値を表す２つの直線が、実測値を表す複数の点が集中する２つの領域のほぼ中央にそれぞれ位置している様子がわかる。すなわち、式（１），式（２）を用いることにより、日射開始時刻および日射終了時刻を精度良く予測できることが理解できる。
【００３４】
なお、ここでは市水温度から日射開始時刻および日射終了時刻を求めるに際し、演算式を用いる場合を説明したが、代わりに、市水温度と日射開始時刻および日射終了時刻との対応関係を数値で個々に示す変換表（変換テーブル）を用いるようにしてもよい。この場合の変換表を構成する個々の数値として、例えば上述の実測値を利用してもよい。
【００３５】
また、演算式や変換表は、太陽光発電システム２が設置される地域に応じて異なるものを用いるようにしてもよい。例えば、設置地域が異なると、緯度や気候が異なり、日照時間と市水温度との関係も異なるため、設置地域に応じて演算式の中の係数や変換表の数値を異ならせたものを適用するようにしてもよい。このようにすれば、予測の精度を向上させることが可能となる。また、作業員もしくは使用者が、燃料電池ユニット１１に設けられたディップスイッチ（図示せず）もしくは燃料電池ユニット１１に備えられたリモコン（図示せず）などの操作手段を案内に従って操作することにより、複数用意された選択肢の中から、設置地域に対応する演算式や変換表を選択して設定できるように構成してもよい。このようにすれば、設置地域に適した演算式や変換表を容易に設定することが可能となる。
【００３６】
このように構成することにより、太陽光発電システム２の発電量を加味して燃料電池システム１の運転計画の策定を行うに際して、高価な装備を増設することなく、コストアップを抑えつつ、一般的な温度センサの測定結果から、太陽光発電システム２の発電量を左右する日照時間（日射開始時刻および日射終了時刻）を予測することができる。また、既存の温度センサを利用する場合には、コストをより一層低減させることができる。新たに温度センサを設ける場合においても、温度センサは比較的安価であるため、コストアップにさほど影響を与えずに済む。
【００３７】
（第２の制御方式の適用例）
運転制御装置１０５に第２の制御方式が適用される場合の制御の一例について説明する。第２の制御方式は、運転計画を立てず、発電出力をリアルタイムに決定しながら運転する方式である。
【００３８】
運転制御装置１０５は、図５の概念図に示されるように、例えば温度計測装置２０２により計測される市水温度のデータ、および温度計測装置１０６により計測される気温のデータを取り込み、これらのデータから、１日毎の日射量を予測する。具体的には、運転制御装置１０５は、一定時間ごとに、温度計測装置２０２により計測される市水温度、および温度計測装置１０６により計測される気温から、所定の演算式もしくは変換表を用いて、日射量を求め、当該日射量から太陽光発電システム２の発電量を求め、この太陽光発電システム２の発電量を加味して燃料電池システム１の発電出力を決定する。
【００３９】
運転制御装置１０５は、市水温度および気温から日射量を予測するに際し、例えば以下の演算式を使用する。
【００４０】
（日射量[MJ/m2]）＝Max｛0，（0.02783×（市水温度）＋0.21079×Ａ＋0.84091）×sin（2π×（ｈ−6）／24）｝      …（３）
なお、式（３）中の表示方式Max{α,β}は、αとβの小さくない方の値を解とすることを意味する。
【００４１】
また、ｈは、時間帯（〜時台）を示す。例えば、ｈ＝２３の場合、２３時００分〜２３時５９分の範囲を意味する。
【００４２】
また、Ａは、時間帯に応じて例えば以下のような値をとる。
【００４３】
・０〜４時台の場合、Ａ＝０
・５〜１１時台の場合、Ａ＝（５時時点の気温からその時点の気温までの差）
・１２〜２３時台の場合、Ａ＝（５時時点の気温から１２時時点の気温までの差）
なお、ここで示した演算式は一例であり、市水温度および気温から日射量を予測できる演算式あれば別の演算式を採用してもよい。
【００４４】
図６は、ある地点における季節ごとの日射量の実測値と、式（３）による予測値とを対比させて示すグラフである。グラフ中における実線は、実際の日射量（実測値）を示し、破線は、式（３）を用いて予測した日射量（予測値）を示している。図６のグラフ（ａ），（ｂ），（ｃ）に示される実測値は、それぞれ、ある地点における季節ごとの日射量を実測した結果をプロットしたものである。このグラフから、予測値を表す破線が、実測値を表す実線にほぼ沿っている様子がわかる。すなわち、式（３）を用いることにより、季節に応じた日射量の変化や日々の日射量の増減の傾向を精度良く予測できることが理解できる。
【００４５】
なお、ここでは市水温度および気温から日射量を求めるに際し、演算式を用いる場合を説明したが、代わりに、市水温度と気温と日射量との対応関係を数値で個々に示す変換表（変換テーブル）を用いるようにしてもよい。この場合の変換表を構成する個々の数値として、例えば上述の実測値を利用してもよい。
【００４６】
また、演算式や変換表は、太陽光発電システム２が設置される地域に応じて異なるものを用いるようにしてもよい。例えば、設置地域が異なると、日照量と市水温度・気温との関係も異なるため、設置地域に応じて演算式の中の係数や変換表の数値を異ならせたものを適用するようにしてもよい。このようにすれば、予測の精度を向上させることが可能となる。また、作業員もしくは使用者が、燃料電池ユニット１１に設けられたディップスイッチ（図示せず）もしくは燃料電池ユニット１１に備えられたリモコン（図示せず）などの操作手段を案内に従って操作することにより、複数用意された選択肢の中から、設置地域に対応する演算式や変換表を選択して設定できるように構成してもよい。このようにすれば、設置地域に適した演算式や変換表を容易に設定することが可能となる。
【００４７】
このように構成することにより、太陽光発電システム２の発電量を加味して燃料電池システム１の運転出力の決定を行うに際して、高価な装備を増設することなく、コストアップを抑えつつ、一般的な温度センサの測定結果から、太陽光発電システム２の発電量を左右する日射量をリアルタイムに予測することができる。また、既存の温度センサを利用する場合には、コストをより一層低減させることができる。新たに温度センサを設ける場合においても、温度センサは比較的安価であるため、コストアップにさほど影響を与えずに済む。
【００４８】
なお、上記実施形態では、コジェネレーションシステムの一例として燃料電池システムを例示したが、これには限定されず、例えば燃料電池システムの代わりにガスエンジンコジェネレーションシステムを適用してもよい。
【００４９】
以上詳述したように、上記実施形態によれば、コジェネレーションシステムと太陽光発電システムとを組み合わせるに際してコストアップを抑えることが可能となる。
【００５０】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５１】
１…燃料電池システム、２…太陽光発電システム、１１…燃料電池ユニット、１２…貯湯ユニット、１００…燃料供給器、１０１…改質器、１０２…燃料電池本体、１０３…インバータ、１０４…熱交換器、１０５…運転制御装置、１０６…温度計測装置、２００…貯湯タンク、２０１…ボイラ、２０２…温度計測装置、３００…太陽光発電装置、３０１…インバータ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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