(57)【要約】 【課題】システムにおけるエネルギー効率を高めると共に静粛性を向上させることができる発電システムを提供する。  【解決手段】本発明は、発電装置１と、発電装置１の排熱を受熱する熱媒体が流通する熱交換器２と、熱媒体の温度を調整するボイラ３と、電力負荷状況及び熱負荷状況に応じて発電装置１及びボイラ３を制御する制御装置４と、を備える発電システムであって、制御装置４は、運転モードとして、ボイラ３の燃焼を停止させ且つ熱負荷状況に応じて発電装置１の発電量を制御することで熱媒体の温度を調整する熱主運転モードを備えている。【選択図】  図１
2014156806.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電装置と、前記発電装置の排熱を受熱する熱媒体が流通する熱交換器と、前記熱媒体の温度を調整するボイラと、電力負荷状況及び熱負荷状況に応じて前記発電装置及び前記ボイラを制御する制御装置と、を備える発電システムであって、
前記制御装置は、運転モードとして、前記ボイラの燃焼を停止させ且つ熱負荷状況に応じて前記発電装置の発電量を制御することで前記熱媒体の温度を調整する熱主運転モードを備えている発電システム。
【請求項２】
請求項１において、
前記制御装置は、前記熱主運転モードにおいて、熱負荷に供給される前記熱媒体の温度と熱負荷の要求温度に基づいて前記発電装置の発電量を制御する発電システム。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記熱媒体を加熱するヒータを備え、
前記ヒータは、前記制御装置が前記熱主運転モードである際、前記制御装置の制御により増加した前記発電装置の発電電力により駆動する発電システム。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一項において、
前記制御装置は、前記熱主運転モードにおいて、熱負荷に供給される前記熱媒体の温度と熱負荷の要求温度に基づいて増加させる発電量又は減少させる発電量を算出し、当該算出結果に基づいて前記発電装置の発電量を制御する発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電による電力及び排熱を利用する発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、発電装置の発電による排熱を暖房等の熱負荷に利用する発電システムが開発されている。発電装置としては、エンジン駆動による発電機や、燃料電池を用いるものなどが挙げられる。つまり、排熱を利用する発電システムとしては、コージェネレーション装置（例えば、ガスエンジンコージェネレーション装置や、燃料電池コージェネレーション装置）が挙げられる。従来、このような発電システムは、貯湯タンクを備えており、使い切れない場合などに排熱を受熱した熱媒体を貯めることを行っていた。
【０００３】
しかしながら貯湯タンクを有する発電システムでは、貯湯タンクからの放熱や貯湯タンク内の熱を使いきれないことなど、省エネ性を低下させる要因があった。そこで、例えば特開２０００−０８７８０１号公報に記載されるように、貯湯タンクを備えない発電システム（コージェネレーション装置）が開発された。このようなコージェネレーション装置では、基本的に定格運転であり、熱負荷への供給温度が不足する場合、ボイラが駆動して温度調整が為される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−０８７８０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のシステムでは、例えばボイラの最低出力以下での温度調整が要求されると、ボイラをオン／オフ制御（定格運転／停止）することで、熱負荷への供給温度を調整していた。ボイラをオン／オフ制御する運転は、ボイラの定格運転に比べて効率が低下してしまう。また、ボイラのオン／オフが繰り返されると、点火音及び消火音によりユーザに不快感を与えるおそれがある。特に寒冷地では、凍結防止のためにボイラが屋内に設置されており、音が聞こえ易くなる。
【０００６】
このように従来のシステムでは、例えば床暖房やパネルヒータなどボイラへの要求温度が低い熱負荷を駆動する場合、ボイラのオン／オフ制御によるシステムのエネルギー効率低下や静粛性低下が生じていた。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、システムにおけるエネルギー効率を高めると共に静粛性を向上させることができる発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の本発明に係る発電システムは、発電装置と、前記発電装置の排熱を受熱する熱媒体が流通する熱交換器と、前記熱媒体の温度を調整するボイラと、電力負荷状況及び熱負荷状況に応じて前記発電装置及び前記ボイラを制御する制御装置と、を備える発電システムであって、前記制御装置は、運転モードとして、前記ボイラの燃焼を停止させ且つ熱負荷状況に応じて前記発電装置の発電量を制御することで前記熱媒体の温度を調整する熱主運転モードを備えている。
【０００９】
電力負荷状況及び熱負荷状況について、例えば電力使用量や商用電源の供給量に対する発電電力の割合などが電力負荷状況を示すパラメータとなり、例えば使用している熱負荷の要求温度や熱媒体の温度などが熱負荷状況を示すパラメータとなる。
【００１０】
請求項２に記載の発電システムは、請求項１において、前記制御装置は、前記熱主運転モードにおいて、熱負荷に供給される前記熱媒体の温度と熱負荷の要求温度に基づいて前記発電装置の発電量を制御する。
【００１１】
請求項３に記載の発電システムは、請求項１又は２において、前記熱媒体を加熱するヒータを備え、前記ヒータは、前記制御装置が前記熱主運転モードである際、前記制御装置の制御により増加した前記発電装置の発電電力により駆動する。
【００１２】
請求項４に記載の発電システムは、請求項１〜３の何れか一項において、前記制御装置は、前記熱主運転モードにおいて、熱負荷に供給される前記熱媒体の温度と熱負荷の要求温度に基づいて増加させる発電量又は減少させる発電量を算出し、当該算出結果に基づいて前記発電装置の発電量を制御する。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に記載の発電システムによれば、運転モードを熱主運転モードにすることにより、ボイラの燃焼が停止され、発電装置の発電量の増減により熱負荷に供給される熱媒体の温度が調整される。これにより、ボイラがオン／オフ制御されることなく、システムにおけるエネルギー効率を高めると共に静粛性を向上させることができる。
【００１４】
請求項２に記載の発電システムによれば、熱負荷に供給される熱媒体の温度と熱負荷の要求温度に基づいて発電量を制御するため、熱負荷状況に応じた精度の良い発電量制御が可能となる。
【００１５】
請求項３に記載の発電システムによれば、増加した発電出力を用いてヒータを駆動し、ヒータによる熱媒体の加熱を利用することより効率的に熱媒体の温度調整ができる。
【００１６】
請求項４に記載の発電システムによれば、発電装置に対して熱負荷状況に合わせた精度良い比例制御が可能となる。つまり、熱負荷の要求温度に応じたより適切な温度の熱媒体を供給することができ、ユーザにより快適な使用感を与えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施形態の発電システムの構成を示す概念図である。
【図２】本実施形態の制御装置の制御を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について図１及び図２に基づいて説明する。なお、説明に用いる各図は概念図であり、各部の形状は必ずしも厳密なものではない場合がある。本発明は、貯湯タンクを備えていない発電システムである。
【００１９】
本実施形態の発電システムは、ガスエンジンコージェネレーション装置であって、図１に示すように、主に、発電装置１と、熱交換器２と、ボイラ３と、制御装置４と、ヒータ５と、を備えている。
【００２０】
発電装置１は、エンジン１１と、発電機１２と、インバータ１３と、を備えている。エンジン１１は、ガスを燃料として駆動するガスエンジンである。ガスとしては、天然ガスやプロパンガスが例示できる。発電機１２は、エンジン１１に機械的に連結されており、エンジン１１の駆動により駆動する。発電機１２は、エンジン１１の駆動力により駆動し発電する。インバータ１３は、発電機１２が発電した電力を変換して商用電源ラインＺ（系統電源側）に供給する。発電電力は系統連系される。
【００２１】
熱交換器２は、配管２１と、配管２２と、を有し、配管２１、２２内を流れる熱媒体（本実施形態では水）同士を熱交換させる装置である。熱交換器２は、発電装置１の排熱を給湯・暖房等に利用（供給）するための熱回路を構成する。
【００２２】
配管２１は、中を流れる熱媒体が発電装置１の排熱を受熱するように配置されている。配管２１の熱媒体は、例えばエンジン１１の排気ガスやエンジン冷却水と熱交換することで、発電装置１の排熱を受熱する。配管２２は、一部が配管２１に近接し、中を流れる熱媒体が配管２１内の熱媒体との間で熱交換できるように配置されている。配管２２は、熱負荷Ｙからボイラ３に熱媒体を流入させるための流路（配管）６１に接続されている。つまり、熱交換器２は、エンジン１１の排熱を受熱した熱媒体を流通させ、受熱した熱媒体をボイラ３に供給するものである。なお、配管には、適宜電動ポンプ（図示せず）が設置され、電動ポンプが熱媒体を流通させている。また、熱負荷Ｙは、浴室乾燥機等の高温が要求される熱負荷よりも低温（６０℃程度）で駆動させる低温熱負荷であり、例えば床暖房やパネルヒータである。
【００２３】
ボイラ３は、流路６１から流入した熱媒体を加熱して流路６２から流出させる熱源機器である。流路６２は、ボイラ３から熱負荷Ｙに向けて熱媒体が流通する配管である。ボイラ３は、通常、定格運転で運転し、最低出力以下の温度要求があった場合、オン／オフすることで調整される。ボイラ３は、流路６１の出口付近の温度と流路６２の入口付近の温度を測定する温度計（ここではサーミスタ）３１、３２を備えている。
【００２４】
制御装置４は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）であって、電力負荷状況や熱負荷状況に応じて発電装置１及びボイラ３の運転を制御する。また、制御装置４は、温度計３１、３２からの温度情報も受信する。制御装置４は、運転モードとして、通常運転モードと、熱主運転モードと、を備えている。運転モードについては後述する。
【００２５】
ヒータ５は、配管２１に近接して配置された暖房器具である。ヒータ５は、インバータ１３（又は商用電源ラインＺ）に接続されており、発電装置１が余剰に発電した場合に駆動して電力を消費する。ヒータ５は、例えばほとんどの電力負荷が一度に停止した場合など、発電装置１の電力負荷への追従が間に合わないケース等に、発電電力を吸収するバッファとして機能する。
【００２６】
ここで、制御装置４の運転モードについて説明する。通常運転モードは、発電装置１とボイラ３とが共に動作するモードであって、電力負荷状況に追従して発電装置１を発電させ、熱負荷に対しては熱媒体が要求温度に達しない場合にボイラ３に熱媒体を加熱させるモードである。
【００２７】
熱主運転モードは、ボイラ３の運転を停止させ、発電装置１を熱負荷状況に追従して発電させるモードである。具体的に、熱主運転モードでは、熱負荷Ｙに供給される熱媒体の温度（温度計３１の温度）が熱負荷Ｙの要求温度に達していない場合、発電装置１の発電量を増加し、その発電量の一部（ここでは増加分）をヒータ５に供給し、ヒータ５を駆動させる。ヒータ５が駆動することにより、配管２１内の熱媒体がヒータ５の熱を受熱し、熱交換により配管２２、６１の熱媒体温度が上昇する。
【００２８】
このように制御装置４は、熱主運転モードにおいて、発電量を増やすと共にヒータ５を駆動することにより、熱負荷Ｙに供給される熱媒体の温度（温度計３１、３２の温度）を要求温度にまで上昇させる。制御装置４の運転モードは、ユーザの操作に応じて切り替えられる。ユーザによる運転モードの切り替えは、スイッチ（ボタン）のオン／オフ等で実行することができ、例えば発電装置１又はボイラ３のリモコン（図示せず）によって実行することが可能である。
【００２９】
熱主運転モードについて、さらに具体的に図２を参照して説明する。運転モードが熱主運転モードに切り替えられると（Ｓ１０１）、制御装置４は、ボイラ３の燃焼を停止（禁止）する（Ｓ１０２）。そして、制御装置４は、温度計３２の温度が熱負荷Ｙの要求温度（ここでは６０℃）未満であるか否かを判定する（Ｓ１０３）。温度計３２の温度が６０℃未満である場合（Ｓ１０３：Ｙｅｓ）、制御装置４は、所定時間（ここでは５分）経過するのを待って（Ｓ１０４）、再び温度計３２の温度が６０℃未満であるか否かを判定する（Ｓ１０５）。
【００３０】
温度計３２の温度が６０℃未満である場合（Ｓ１０５：Ｙｅｓ）、発電装置１の発電出力（発電量）が所定電力（ここでは１２５０Ｗ）未満であるか否かを判定する（Ｓ１０６）。発電出力が１２５０Ｗ未満である場合（Ｓ１０６：Ｙｅｓ）、制御装置４は所定増加電力（ここでは２５０Ｗ）分だけ発電装置１の発電量を増加させる（Ｓ１０７）。増加させた電力は、ヒータ５が駆動することで消費され、ヒータ５により熱媒体が加熱される。そして、５分経過後（Ｓ１０８：Ｙｅｓ）、制御装置４は、再び温度計３２の温度と要求温度とを比較する（Ｓ１０３）。
【００３１】
所定電力（１２５０Ｗ）は、発電装置１の最大出力（ここでは１５００Ｗ）から所定増加電力（２５０Ｗ）を引いた数値に設定することができる。また、所定増加電力は、ヒータ５の消費電力に設定することができる。
【００３２】
一方、温度計３２の温度が６０℃以上であった場合（Ｓ１０３、Ｓ１０５：Ｎｏ）、制御装置４は、温度計３２の温度が、要求温度より許容誤差（最大許容誤差未満の値）だけ大きい所定温度（ここでは６５℃）以上であるか否かを判定する（Ｓ１０９）。温度計３２の温度が６５℃以上の場合（Ｓ１０９：Ｙｅｓ）、５分経過後（Ｓ１１０：Ｙｅｓ）、制御装置４は、再び温度計３２の温度が６５℃以上であるか否かを判定する（Ｓ１１１）。
【００３３】
温度計３２の温度が６５℃以上である場合（Ｓ１１１：Ｙｅｓ）、制御装置４は、メモリ（図示せず）を読み出して、発電装置１の発電量をステップＳ１０７で増加したか否かを判定する（Ｓ１１２）。すなわち、制御装置４は、熱主運転モード中、熱負荷Ｙの要求温度に追従して発電量を増加させたか否かを判定する（Ｓ１１２）。
【００３４】
発電量を増加させていた場合（Ｓ１１２：Ｙｅｓ）、制御装置４は、発電装置１の発電量を所定増加電力（２５０Ｗ）分だけ減少させる（Ｓ１１３）。そして、５分経過後（Ｓ１１４：Ｙｅｓ）、制御装置４は、再び温度計３２の温度と要求温度とを比較する（Ｓ１０３）。また、温度計３２の温度が６５℃未満であった場合（Ｓ１０９、Ｓ１１１：Ｎｏ）も、制御装置４は、温度計３２の温度と要求温度とを比較する（Ｓ１０３）。
【００３５】
ここで、ステップＳ１０７において発電装置１が発電量を増加させていなかった場合（Ｓ１１２：Ｎｏ）、制御装置４は、温度計３２の温度が最大許容誤差（ここでは７０℃）以上であるか否かを判定する（Ｓ１１５）。許容誤差及び最大許容誤差は設定により変えられる設定値である。温度計３２の温度が７０℃未満であった場合（Ｓ１１５：Ｎｏ）、制御装置４は、再び温度計３２の温度と要求温度とを比較する（Ｓ１０３）。
【００３６】
一方、温度計３２の温度が７０℃以上であった場合（Ｓ１１５：Ｙｅｓ）、制御装置４は、発電装置１の発電を停止させる（Ｓ１１６）。そして、制御装置４は、現状が予め設定された発電再開条件を満たすか否かを判定する（Ｓ１１７）。発電再開条件は、本実施形態では、温度計３２の温度が要求温度（６０℃）になることに設定されている。発電再開条件は、その他、例えば温度計３２の温度が発電停止した際の温度計３２の温度から設定温度（例えば１０℃）以上下がり且つ温度計３２の温度が７０℃未満であることに設定することもできる。制御装置４は、温度計３２の温度を監視し、発電再開条件を満たすか否かを判定する（Ｓ１１７）。
【００３７】
発電再開条件が満たされた場合（Ｓ１１７：Ｙｅｓ）、制御装置４は、発電装置１の発電を再開させる（Ｓ１１８）。この際の発電量は、電力負荷状況に応じたもので良い。そして、５分経過後（Ｓ１１４：Ｙｅｓ）、制御装置４は、再び温度計３２の温度と要求温度とを比較する（Ｓ１０３）。熱主運転モードでは、上記フローが実行され、熱負荷Ｙに供給される熱媒体の温度が６０〜７０℃、さらには６０〜６５℃となるように発電装置１が制御される。発電装置１は、オン／オフ制御でなく、出力の増減制御で駆動する。
【００３８】
熱主運転モードでは、発電量の増加に伴うエンジン１１の排熱量増加によっても、配管２１の熱媒体温度が上昇する。発電量が増加することで、熱媒体に対し、増加した排熱とヒータ５の加熱による熱供給が行われ、配管２１の熱媒体温度は上昇する。熱主運転モードでは、熱負荷状況に追従して発電量を制御し、発電装置１の排熱及びヒータ５の熱を利用して温度調整を行っている。
【００３９】
本実施形態の発電システムによれば、運転モードとして熱主運転モードを有し、熱主運転モードにおいて、ボイラ３の燃焼が禁止され、熱負荷Ｙに供給される熱媒体の温度に応じて発電装置１の発電量が制御される。つまり、本実施形態によれば、熱主運転モードを実行することで、発電装置１のみにより熱負荷Ｙに対する温度調整が行われ、ボイラ３のオン／オフ制御による効率低下及び静粛性低下を解消することができる。本実施形態によれば、ボイラ３のオン／オフ制御域を発電装置１の熱出力上昇により比例制御され、システムにおけるエネルギー効率の向上及び静粛性の向上が可能となる。
【００４０】
また、熱主運転モードを実行することで、発電システムの出力範囲内において熱負荷Ｙに供給される熱媒体温度をほぼ一定に保つことができ、暖房が快適に行われる。従来のようなボイラ３のオン／オフ制御では、熱負荷への供給温度の変動が大きくなりやすく、暖房に用いた際には部屋や床の温度変化が大きく、ユーザに不快感を与えるおそれがあった。上記のように本実施形態では温度変化が抑制される。
【００４１】
また、同じ燃料からの変換効率は、電力１に対して熱がおよそ２となり、熱としてエネルギーをとるほうが効率的である。したがって、発電装置１の排熱量の増加を利用して熱媒体温度を制御するほうがエネルギー効率の観点から好ましいといえる。なお、本実施形態では、熱主運転モード時に浴室暖房機などの高温熱負荷が使用された場合、制御装置４により通常運転モードに切り替えられ、熱媒体の加熱にボイラ３が用いられる。通常運転モードへの切り替えは、ユーザの操作（スイッチ操作等）によるものでも良い。
【００４２】
本発明は、上記実施形態に限られない。例えば制御装置４は、熱主運転モードにおいて、発電量の増加減少分を上記のように固定値（所定増加電力）ではなく演算により求めても良い。例えば、制御装置４は、温度計３２の温度と要求温度との差を求め、当該差から必要な増加量又は減少量を算出しても良い。つまり、ステップＳ１０７又はＳ１１３において、制御装置４は、熱負荷Ｙに供給される熱媒体の温度と熱負荷Ｙが要求する要求温度に基づいて、発電の増加量又は減少量を算出し、算出結果に基づいて発電装置１の発電量を制御する。これにより、より精度の良い温度調整が可能となる。
【００４３】
また、制御装置４は、主に発電装置１を制御するものでも良く、ボイラ３の制御に関しては熱主運転モードにおいて燃焼を禁止するのみでも良い。つまり、制御装置４は、ボイラ３に関しては少なくともボイラ３の動作を停止して禁止できれば良く、ボイラ３のその他の制御は、別の制御装置（例えばボイラ３自身の制御装置）に任せても良い。
【００４４】
また、熱主運転モードでは、発電量の増加に伴うエンジン１１の排熱量増加を利用して、ヒータ５を用いず排熱のみで熱媒体温度を調整するようにしても良い。また、エンジン１１の燃料は、ガスに限らず、ガソリン、灯油、又は軽油等の液体燃料であっても良い。また、発電装置１は、燃料電池を用いた発電装置であっても良い。この場合、発電システムにおいて、燃料電池の排熱がエンジン１１の排熱に相当する。つまり、本発明の発電システムは、エンジン駆動式コージェネレーション装置でも、燃料電池コージェネレーション装置でも良い。
【符号の説明】
【００４５】
１：発電装置、  １１：エンジン、  １２：発電機、  １３：インバータ、
２：熱交換器、  ３：ボイラ、  ４：制御装置、  ５：ヒータ、  Ｙ：熱負荷
【図１】
2014156806.tif 000003
【図２】
2014156806.tif 000004