(57)【要約】【課題】電力需要と熱需要を予測し、該予測に基づき発電装置の起動と停止の繰返しを抑制するコージェネレーションシステムの運転方法および起動と停止の繰返しを抑制されたコージェネレーションシステムを提供する。【解決手段】発電すると共に、熱を発生する発電装置と、発生した熱を蓄熱する蓄熱部とを備えるコージェネレーションシステムの運転方法であって、所定時間にわたる電力需要を予測する工程Ｓｔ３０と、所定時間にわたる熱需要を予測する工程Ｓｔ４０と、発電装置の起動を許可しない時間帯を入力手段により入力する工程と、予測された電力需要および熱需要、並びに、起動を許可しない時間帯とに基づき、発電装置の起動及び停止を制御する工程Ｓｔ８０とを備えるコージェネレーションシステムの運転方法。  【選択図】  図２
2006127967.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電すると共に、熱を発生する発電装置と、
前記発生した熱を蓄熱する蓄熱部とを備えるコージェネレーションシステムの運転方法であって；
所定時間にわたる電力需要を予測する工程と；
所定時間にわたる熱需要を予測する工程と；
前記発電装置の起動を許可しない時間帯を入力手段により入力する工程と；
前記予測された電力需要および熱需要、並びに、前記起動を許可しない時間帯とに基づき、前記発電装置の起動及び停止を制御する工程とを備える；
コージェネレーションシステムの運転方法。
【請求項２】
前記発電装置を強制的に起動する時刻を設定する工程を備え；
前記発電装置の起動及び停止を制御する工程が、前記予測された電力需要、熱需要および前記起動を許可しない時間帯、並びに、前記発電装置を強制的に起動する時刻とに基づき、前記発電装置の起動及び停止を制御する；
請求項１に記載のコージェネレーションシステムの運転方法。
【請求項３】
所定量以上の電力需要が所定時間以上継続して予測される場合には、前記起動を許可しない時間帯を解除して発電装置を起動する；
請求項１または請求項２に記載のコージェネレーションシステムの運転方法。
【請求項４】
発電すると共に、熱を発生する発電装置と；
前記発生した熱を蓄熱する蓄熱部と；
電力需要を予測する電力予測手段と；
熱需要を予測する熱需要予測手段と；
前記発電装置の起動を許可しない起動不許可時間帯を入力する起動不許可時間帯入力手段と；
運転最小電力を記憶する運転最小電力記憶手段と；
時刻を計測する計時手段と；
前記計時手段で計測された時刻が前記起動不許可時間帯でなく、かつ、前記電力需要予測手段で予測された電力需要が前記運転最小電力以上であれば、前記発電装置を起動する起動制御手段とを備える；
コージェネレーションシステム。
【請求項５】
前記発電装置が、水素を燃料として発電する燃料電池である；
請求項４に記載のコージェネレーションシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置の発電電力及びその排熱を利用するコージェネレーションシステムの運転方法に関し、特に、電力需要および熱需要に対応し、かつ、不要な起動・停止を抑止した運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電を行い、発電を行う際の排熱を熱源として利用するコージェネレーションシステムは、燃料効率が高いことから、事業用、集合住宅用あるいは家庭用として、その利用が広まってきている。また、都市ガス、ＬＰＧ（Ｌｉｑｕｉｆｉｅｄ  Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ  Ｇａｓ）、消化ガス、メタノール、ＧＴＬ（Ｇａｓ  Ｔｏ  Ｌｉｑｕｉｄ）や灯油のような原料燃料から改質した水素に富む燃料ガスを供給して、空気等の酸素を含む酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電する燃料電池が、その排気ガスがクリーンであることから注目されている。
【０００３】
発電装置からの排熱は、温水として蓄熱するのが、装置が簡単で好適である。すなわち、発電装置を冷却する冷却媒体を直接温水として、あるいは、冷却媒体と熱交換して加温された温水を貯湯タンクに貯留して、その温水を熱需要に応じて供給する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池のような発電装置では、発電量が一定電力以下となると発電効率が極端に低下する。そこで、電力需要が所定の値以下になると発電装置を停止するのが一般的である。燃料電池では、燃料電池を電気化学的反応に適した温度に上昇させるために、また、原料燃料から燃料ガスを得るために、起動に時間を要する。そのため、一日を通しての電力需要の変動に応じて、起動と停止を繰り返すことは、適切な運転方法とはいえず、更に、起動と停止の繰返しは、燃料電池の構造に悪影響を及ぼし、寿命を縮めてしまう恐れがある。また、電力需要に応じて発電を行うと、貯湯タンクでの蓄熱量が満杯となり、それ以上に排熱を吸収できなくなってしまうことがある。排熱を吸収できなくなると、発電装置を冷却できず、発電装置の運転を停止せざるを得ない状態となる。
【０００５】
そこで本発明は、電力需要と熱需要を予測し、該予測に基づき発電装置の起動と停止の繰返しを抑制するコージェネレーションシステムの運転方法および起動と停止の繰返しを抑制されたコー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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明に係るコージェネレーションシステムの運転方法は、例えば図１および図２に示すように、発電すると共に、熱を発生する発電装置１０と、発生した熱を蓄熱する蓄熱部２０とを備えるコージェネレーションシステム１００の運転方法であって；所定時間にわたる電力需要を予測する工程Ｓｔ３０と；所定時間にわたる熱需要を予測する工程Ｓｔ４０と；発電装置１０の起動を許可しない時間帯を入力手段６１により入力する工程Ｓｔ１０と；予測された電力需要および熱需要、並びに、起動を許可しない時間帯とに基づき、発電装置１０の起動及び停止を制御する工程Ｓｔ８０とを備える。
【０００７】
このように構成すると、起動を許可しない時間帯が入力されるので、予測需要に基づき起動・停止を行う運転に比べ、発電装置の起動・停止の回数を抑制し、発電装置の寿命の維持と、原料燃料の消費に対する発電量である燃料効率の起動に伴う低下を確実に防止できる。また、起動を許可しない時間帯を入力するため、運転の制御が単純化される。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明に係るコージェネレーションシステムの運転方法は、例えば図１および図２に示すように、請求項１に記載のコージェネレーションシステムの運転方法において、発電装置１０を強制的に起動する時刻を設定する工程Ｓｔ２０を備え；発電装置の起動及び停止を制御する工程Ｓｔ８０が、予測された電力需要、熱需要および起動を許可しない時間帯、並びに、発電装置１０を強制的に起動する時刻とに基づき、発電装置１０の起動及び停止を制御する。
【０００９】
このように構成すると、発電装置が強制的に起動されるので、電力需要に拘らず、確実に熱需要を満たすことができるコージェネレーションシステムの運転方法となる。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明に係るコージェネレーションシステムの運転方法は、例えば図２に示すように、所定量以上の電力需要が所定時間以上継続して予測される場合（Ｓｔ５０）には、起動を許可しない時間帯を解除（Ｓｔ６０）して発電装置を起動する。
【００１１】
このように構成すると、起動を許可しない時間帯を解除して発電装置を起動するので、電力需要の大きな時間帯においては発電装置を稼動することができ、発電装置の効率が高くなる。すなわち、コージェネレーションシステムの効率を高めることができる。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明に係るコージェネレーションシステムは、例えば図１に示すように、発電すると共に、熱を発生する発電装置１０と；発生した熱を蓄熱する蓄熱部２０と；電力需要を予測する電力需要予測手段５１と；熱需要を予測する熱需要予測手段５２と；発電装置１０の起動を許可しない起動不許可時間帯を入力する起動不許可時間帯入力手段６１と；運転最小電力を記憶する運転最小電力記憶手段５５と；時刻を計測する計時手段５４と；計時手段５４で計測された時刻が起動不許可時間帯でなく、かつ、電力需要予測手段で予測された電力需要が運転最小電力以上であれば、発電装置１０を起動する起動制御手段５３とを備える。
【００１３】
このように構成すると、起動を許可しない時間帯が入力されるので、予測需要に基づき起動・停止を行う運転に比べ、発電装置の起動・停止の回数を抑制し、発電装置の寿命の維持と、燃料効率の起動に伴う低下を確実に防止できる。また、起動を許可しない時間帯を入力するため、運転の制御が単純化される。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明に係るコージェネレーションシステムは、例えば図１に示すように、請求項４に記載のコージェネレーションシステム１００において、発電装置１０が、水素を燃料として発電する燃料電池である。
【００１５】
このように構成すると、起動にリードタイムを特に要する燃料電池を発電装置に用いるコージェネレーションシステムにおいて、起動・停止の回数を抑制するので、起動に伴う燃料効率の低下の防止が顕著になる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、起動を許可しない時間帯が入力されるので、予測需要に基づき起動・停止を行う運転に比べ、発電装置の起動・停止の回数を抑制し、発電装置の寿命の維持と、起動に伴う燃料効率の低下を確実に防止できるコージェネレーションシステムあるいはその運転方法が提供される。また、起動を許可しない時間帯を入力するため、運転の制御が単純化されたコージェネレーションシステムあるいはその運転方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一又は相当する装置等には同一符号を付し、重複した説明は省略する。
【００１８】
先ず、図１を参照して、本発明の実施の形態であるコージェネレーションシステム１００の構成につき説明する。図１は、本発明の実施の形態であるコージェネレーションシステム１００の構成を示す構成図である。コージェネレーションシステム１００は、発電装置としての燃料電池１０、燃料電池１０で発生した熱を蓄熱する蓄熱部としての貯湯タンク２０、燃料電池１０の冷却水と貯湯タンク２０の温水との間の熱交換を行う熱交換器３０、コージェネレーションシステム１００の運転を制御する制御装置５０とを備える。燃料電池１０並びに貯湯タンク２０と制御装置５０内の各手段とを結ぶ破線は、以下の説明では詳細を省略するが、その間で信号のやり取りが行われることを示している。なお、制御装置５０と信号のやり取りを行う装置は、燃料電池１０や貯湯タンク２０には限られず他の装置等でも信号のやり取りを行うが、破線は省略する。
【００１９】
燃料電池１０には、燃料電池を冷却する、すなわち、燃料電池で発生した熱を回収する冷却水が流れる冷却水配管１１と、水素に富む燃料ガスを供給する燃料ガス配管１２と、酸素を含有する酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス配管１３とが接続する。冷却水配管１１は、熱交換器３０に接続する。燃料ガス配管１２は、燃料ガスを貯留する燃料ガスタンク（不図示）に接続してもよいし、都市ガス等を燃料ガスへ改質する改質装置（不図示）に接続してもよい。酸化剤ガス配管１３は、空気を供給するブロワ（不図示）に接続してもよいし、他の酸素を含有するガス源に接続してもよい。上記の燃料ガスタンク、改質装置、ブロワあるいはガス源なども、コージェネレーションシステム１００を構成する要素に含まれる。
【００２０】
貯湯タンク２０には、温水循環配管２１と温水供給配管２２とが接続する。温水循環配管２１は、熱交換器３０に接続する。温水供給配管２２は、熱需要（不図示）に接続する。ここで、熱需要とは供給される温水を消費するものであっても、温水の保有する熱だけを消費するものであってもよい。熱需要は、例えば、家庭での温水消費あるいは暖房用器具である。貯湯タンク２０には、温水の温度、より厳密には温度分布を計測する温度計、および、温水の量を計測する水位計が備えられ、温水供給配管２２には、流量、温度等の温水供給量を計測する計測器類が備えられている。図示しないこれらの計測器類も、貯湯タンク２０を構成する要素に含まれる。貯湯タンク２０には、さらに、熱需要に供給した温水を熱需要から貯湯タンク２０に戻す温水戻り配管（不図示）や、温水の消費による減少分を補給する補給水配管（不図示）が接続してもよい。
【００２１】
熱交換器３０は、燃料電池１０を冷却する冷却水と、貯湯タンク２０に貯留され熱需要に供給される温水との熱交換を行う装置であり、すなわち、冷却水は冷却され、温水は加温される。熱交換器３０としては、多管式熱交換器でもプレート式熱交換器でもあるいは他の形式の熱交換器であってもよい。
【００２２】
このように貯湯タンク２０に貯留される温水で、燃料電池１０を冷却する冷却水を冷却することにより、すなわち、温水を冷却水で加温することにより、燃料電池１０の排熱を貯湯タンク１０に蓄熱することができる。しかし、貯湯タンク２０での蓄熱が進むと、温水の温度が上昇し、もはや温水では冷却水を冷却することができなくなる。冷却水を冷却できないということは、燃料電池１０を冷却できないことになり、燃料電池１０をそれ以上稼働すると燃料電池１０自体の温度が過度に上昇してしまうので、燃料電池１０を停止せざるを得なくなる。このような状態が、貯湯タンク２０での蓄熱が満杯になった状態である。なお、蓄熱が満杯となったときは、例えば空冷装置あるいは他の冷却媒体など、他の冷却手段により燃料電池１０の冷却水を冷却するように構成してもよい。このように構成すると、蓄熱の満杯を考慮せずにコージェネレーションシステムを運転することができる。
【００２３】
制御装置５０は、燃料電池１０、貯湯タンク２０、熱交換器３０、あるいは各配管の計測器類や制御弁などと信号ケーブルで接続され、温度、圧力、流量等の状態量を受信し、各機器へ作動指示信号を送信することにより、コージェネレーションシステム１００の運転を制御する。制御装置５０には、電力需要予測手段５１、熱需要予測手段５２、起動制御手段５３、計時手段５４、記憶手段５５、起動不許可時間帯設定手段５６、強制起動時刻設定手段５７、停止制御手段５８、燃料電池出力制御手段５９、起動不許可時間帯入力手段６１などが備わっている。なお具体的には、電力予測手段５１、熱需要予測手段５２および起動制御手段５３、起動不許可時間帯設定手段５６、強制起動時刻設定手段５７、停止制御手段５８および出力制御手段５９は、ＣＰＵが予め記憶手段５５に格納されたコンピュータプログラムを実行することで実現され、計時手段５４はクロノメータであり、記憶手段５５はメモリであるのが一般的である。また、起動不許可時間帯入力手段６１はリモコンあるいは制御装置５０と一体の入力キーもしくはキーボードでもよい。起動不許可時間帯入力手段６１をリモコンとすることで、コージェネレーションシステムをどこに設置しても、例えば居間に居ながら起動不許可時間帯を入力することができる。また、起動不許可時間帯入力手段６１を制御装置５０と一体の入力キーとすれば、制御装置自体が単純な構成となり、雑音による誤動作を防ぐことができ、信頼性が高くなる。起動不許可時間帯入力手段６１をキーボードとすると、さらにキー操作が楽になり、誤入力を防止できる。制御装置５０内での代表的なデータ伝達は、図１中に実線で表示しているが、図示しないデータ伝達も行われる。
【００２４】
また、燃料電池１０には発電した電力を、電力需要に供給するための電力ケーブル１６が接続している。電力需要は、例えば家庭での電気器具であり、あるいは、電力会社へ電力を供給してもよい。一般的に燃料電池で発電される電力は直流であるので、交流電力に変換するコンバータ（不図示）が備えられ、また、電圧、電流、周波数、電力需要に供給される電力などを計測する計測器類（不図示）が必要に応じて備えられる。また、複数の電力需要が備えられているときには、配電盤（不図示）も備えられる。これらのコンバータ、計測器類、配電盤などもコージェネレーションシステム１００を構成する要素に含まれる。
【００２５】
続いて、図２を参照して、図１に示すコージェネレーションシステム１００の運転の制御について説明する。なお、コージェネレーションシステム１００の装置については図１を参照する。図２は、コージェネレーションシステム１００の運転の制御を示すフローチャートである。
【００２６】
コージェネレーションシステム１００の運転の制御は、基本的に１日単位で行われる。例えば家庭における１日の生活サイクルにおいて、電力需要や熱需要が繰り返されるからであり、電力需要や熱需要が集合住宅や事務所あるいは工場などの場合であっても、基本的に１日単位で繰り返される。電力需要や熱需要が、１日ではなく、例えば１週間を最小単位として繰り返されるときには、１週間単位で行ってもよく、あるいは、他の単位で行ってもよい。
【００２７】
コージェネレションシステムの運転の初めにおいて、起動不許可時間帯入力手段６１から発電装置１０の起動を許可しない起動不許可時間帯を入力する（Ｓｔ１０）。起動不許可時間帯は、一般的に電力需要が少なく、燃料電池１０を作動していても発電量が少なく発電効率が低い時間帯において、たとえ電力需要が高くなっても短時間であれば燃料電池の起動を行わないようにする時間帯である。この起動不許可時間帯は、経験的に、また、過去の運転実績に基づいて定める。
【００２８】
図３に一般的な家庭の１日当たりの電力消費、すなわち電力需要の変動例のグラフを示す。横軸が１日の時刻、縦軸が電力需要を表す。朝６時から７時の間および８時から９時の間に電力需要の増加が見られるが、総じて夕方１６時頃までの電力需要は低く、１６時から２３時頃までの時間帯における電力需要が高いことが見てとれる。一般的に発電装置では、定格発電量付近の出力で最も発電効率が高くなるように製造されており、定格発電量より低い出力での稼働は発電効率が悪くなる。例えば、家庭用の定格発電量が１ｋＷの燃料電池では、３００Ｗ以下の出力での稼働では発電効率が急激に低下し、また、発電装置としての熱バランスが崩れるため、３００Ｗ以下の出力での稼働は適さない。すなわち、この場合には、３００Ｗが燃料電池を稼働するための電力需要の閾値となる。
【００２９】
また、一般的に燃料電池では、停止状態から発電を行うまでに、灯油などの原料燃料から燃料ガスを改質するのに改質装置を高温にするために、および、燃料電池、燃料ガスおよび酸化剤ガスを所定の温度に加温するために、１時間程度のリードタイムが必要である。そこで、図３に示すように朝に電力需要の増加が認められても、１時間のリードタイムを考慮すると、２時間の稼働のために燃料電池を起動することのメリットはないことになる。そこで、電力需要が図３に示すような場合には、１サイクルを０時から２４時として、例えば０時から１５時までを起動不許可時間帯とするとよい。
【００３０】
電力需要は、季節、曜日、気温、天候、家族構成などの諸因子に基づき変わるので、起動不許可時間帯は適宜変更することが好ましく、ユーザが入力する。すなわち、ユーザが適切に入力することで、一のコージェネレーションシステム１００を適宜、より効率よく運転することが可能となる。ただし、毎日入力することは手間が掛かり過ぎるので、起動不許可時間帯が前日と同じでよいときには、入力を省略し制御装置５０の記憶手段５５内に記憶された前日の起動不許可時間帯を用いるようにすることが好ましい。すなわち、記憶手段５５では、少なくとも最新の起動不許可時間帯を記憶する。なお、後述するように起動不許可時間帯を自動的にチェックし変更する機能を確保するためには、３日分の起動不許可時間帯を記憶し、好ましくは１週間分の起動不許可時間帯を記憶し、より好ましくは１月分の起動不許可時間帯を記憶し、さらに好ましくは１年間分の起動不許可時間帯を記憶する。
【００３１】
図２に戻り、コージェネレーションシステム１００の運転の制御の説明を続ける。コージェネレションシステムの運転の初めにおいて、発電装置１０を強制的に起動する時刻である強制起動時刻を入力する（Ｓｔ２０）。強制起動時刻を入力する手段は、起動不許可時間帯入力手段６１と兼用するのが、構成を単純にするので適しているが、誤操作を防止するために、起動不許可時間帯入力手段６１とは異なる強制起動時刻入力手段を備えてもよい。
【００３２】
強制起動時刻は、熱需要を満たすために貯湯タンク２０に所定温度以上の温水を所定量貯留するのに必要な熱を、燃料電池１０で発生するように、燃料電池を起動するための時刻である。すなわち、熱需要を満たすために、電力需要に拘らず、燃料電池１０を起動させなければならない時刻である。
【００３３】
図４に一般的な家庭の１日当たりの熱需要の変動例のグラフを示す。横軸が１日の時刻、縦軸が熱需要を表す。ここでは、熱需要は給湯負荷、すなわち温水の消費量である。朝８時から９時の間に給湯負荷の増加が見られるが、１８時から２１時頃までの時間帯における給湯負荷が高いことが見てとれる。
【００３４】
図５に、図４に示した給湯負荷の変動例における、１時間当たりの平均の給湯負荷の変動のグラフを示す。横軸が１日の時刻、縦軸が給湯負荷の１時間当たりの平均を表す。図５により、１８時から２１時までの間での給湯負荷が高いことがより明らかに示される。
【００３５】
そこで、１８時から２１時における給湯負荷に備えて、貯湯タンク２０に温水を貯留しておく必要がある。温水は、燃料電池１０で発生した熱を冷却水で吸収し、熱交換器３０において冷却水から熱を移送することにより、温水が加温される。そのため、所定温度以上の温水を確保するためには、燃料電池１０を稼働することが必要である。給湯負荷の積算値すなわち必要な給湯量と必要となる時刻から、燃料電池１０の稼働を開始しなければならない時刻、すなわち強制起動時刻が定まる。ここでは、強制起動時刻をユーザが入力することにより、所定の時刻に所定の給湯量が確実に用意されることになる。なお、後述するように、予測した熱需要に基づき、強制起動時刻を制御装置５０内で算定することにより設定し、ユーザが入力しない構成としてもよい。このように構成することで、ユーザの入力の手間が省かれ、また、誤入力あるいは入力忘れによる、異常運転を防止できる。
【００３６】
給湯負荷は、季節、曜日、気温、天候、家族構成などの諸因子に基づき変わるので、強制起動時刻は適宜変更することが好ましく、ユーザが入力する。すなわち、ユーザが適切に入力することで、一のコージェネレーションシステム１００を適宜、より効率よく運転することが可能となる。ただし、毎日入力することは手間が掛かり過ぎるので、強制起動時刻が前日と同じでよいときには、入力を省略し制御装置５０の記憶手段５５内に記憶された前日の強制起動時刻を用いるようにすることが好ましい。すなわち、記憶手段５５では、少なくとも最新の強制起動時刻を記憶する。なお、後述するように強制起動時刻を自動的にチェックし変更する機能を確保するためには、３日分の強制起動時刻を記憶し、好ましくは１週間分の強制起動時刻を記憶し、さらに好ましくは１年間分の強制起動時刻を記憶する。
【００３７】
図２に戻り、コージェネレーションシステム１００の運転の制御の説明を続ける。ある時刻における電力需要の予測を行う（Ｓｔ３０）。電力需要の予測は、その時点から所定時間先までの電力需要を予測する。所定時間は、電力需要が繰り返される最小サイクルとするのが好ましく、本実施の形態では１日、すなわち２４時間となる。予測する電力需要は、時刻毎の電力需要である。予測する時間刻みは、例えば１分毎から１０分毎程度が、２４時間の電力需要予測には適当である。あまりに細かな時間刻みで予測することは、予測する手間とそのデータ量は増大するが、細かな時間刻みでの電力需要の変動は実質的に意味がなく、また、コージェネレーションシステム１００の運転がそれほど細かな変動に追随しないので、無駄が多くなる。逆に、あまりに粗い時間刻みで予測すると、コージェネレーションシステム１００の運転に電力需要の変動を適切に反映できなくなる恐れがある。
【００３８】
電力需要の予測は、いろいろな方法で行うことが考えられる。例えば、季節、曜日、気温、天候、家族構成あるいはその時点での電力需要などの諸因子に対応した電量需要のデータを多数揃えておき、いわゆる事例ベース推論により、最も近い条件での電力需要を導き、諸因子の差異による補正を行う方法でもよい。この方法では、考慮する因子の種類と揃えておく電力需要のデータ量により予測の精度が大きく影響されるが、運転する度に電力需要のデータを蓄積することにより、容易に学習機能が具えられる。あるいは、過去の電力需要のデータを、季節、曜日、気温、天候、家族構成などの諸因子により多変量解析し、電力需要を求めてもよい。電力需要の予測は、その他の公知の方法で行ってもよい。
【００３９】
電力需要の予測は、制御装置５０の電力需要予測手段５１で行われる。典型的には、電力需要予測手段５１はコンピュータプログラムであるが、ニューラルネットワークなどの専用のハードウェアを備えていてもよい。
【００４０】
ここで、季節、曜日、気温、天候などの諸因子は、ユーザが入力してもよいが、ユーザの作業を低減するために、インターネットなどを通じて入手してもよいし、コージェネレーションシステム１００が測定器類を有して、温度、湿度、風力などを測定し、併せてカレンダ機能を備えて、諸因子を決定してもよい。また、その時点での電力需要は、電力ケーブル１６に備えられた、電力需要に供給される電力を計測する電力計で測定した値を用いるのがよい。ただし、家族構成などについては、ユーザが入力し、制御装置５０の記憶手段５５でデータを記憶し保持しておくのがよい。
【００４１】
続いて、コージェネレーションシステム１００の運転においては、ある時刻における熱需要の予測を行う（Ｓｔ４０）。熱需要の予測は、電力需要の予測と同様に所定時間先までの熱需要を予測する。一般的に電力需要を予測する所定時間と熱需要を予測する所定時間とは同一であるが、必ずしも同一である必要はなく、異なっていてもよい。熱需要を満たすための燃料電池１０の稼働は、熱需要の時刻より遡った時点であるので、熱需要については電力需要よりも先の時点まで予測してもよい。熱需要の予測方法は、電力需要の予測方法と同様の方法を用いて行うことができる。熱需要の予測方法を、電力需要の予測方法と同じとすれば、例えばコンピュータプログラムを兼用できるなど、制御装置５０を単純化することができるが、異なる方法で予測してもよい。熱需要の予測は、制御装置５０の熱需要予測手段５２で行われる。すなわち、電力需要予測手段５１と熱需要予測手段５２とは共用部分を有していてもよい。また、熱需要の予測に用いる諸因子は、電力需要の予測に用いる諸因子と共通することが多く、諸因子についても共用できる。
【００４２】
電力需要と熱需要の予測が終わると、運転モードの見直しを行う。先ず、予測された電力需要が、燃料電池１０を稼働するための出力の閾値を上回る時間を調べ、その時間が所定時間継続するかどうか調べる（Ｓｔ５０）。ここで、所定時間とは、燃料電池１０を起動する時間を考慮しても燃料電池１０を稼働した方が効率のよくなる時間である。例えば、家庭用の定格発電量が１ｋＷの燃料電池において、起動に１時間を要するとしても、３時間稼働すれば効率がよくなる場合には、所定時間は３時間となる。なお、所定時間継続するとの判断を、継続する時間で電力需要が閾値を下回る瞬間があっても、平均してみれば閾値を上回る時間としてもよいし、電力需要が閾値を下回る瞬間がある場合には除外するとしてもよい。どちらが適するかは、例えば、閾値以下の出力で稼働した場合の燃料電池１０の問題の程度、あるいは、閾値以上で稼働を継続したときの余剰電力の処理方法などによって異なる。燃料電池１０を閾値以下の出力で稼働しても、発電効率が悪化するだけで装置として問題がない場合、あるいは、電力会社の電力系統に余剰電力を逆潮流できる場合や余剰電力で例えば貯湯タンクを加温できるなどの方策が採られている場合には、電力需要が閾値を下回る瞬間があっても起動する方が適しているであろうし、逆の場合には起動しない方が適しているであろう。予測された電力需要が、燃料電池１０を稼働するための出力の閾値を上回る時間を調べ、その時間が所定時間継続するかどうか調べる作業は、制御装置５０の起動不許可時間帯設定手段５６にて行われる。
【００４３】
予測された電力需要が燃料電池１０を稼働するための出力の閾値を上回る時間が、所定時間継続する場合には、その間の起動不許可時間帯を解除する（Ｓｔ６０）。ここで、電力需要が増加したときに燃料電池１０から出力されるように、燃料電池１０の起動は予測された電力需要が閾値を上回り始めるより、リードタイムだけ早くするのがよい。すなわち、起動不許可時間帯を解除する時間は、より詳細には、予測された電力需要が閾値を上回るよりリードタイムだけ前からである。不許可時間帯を解除する作業は、起動不許可時間帯設定手段５６にて行われる。あるいは、起動制御手段５３にて行われてもよい。
【００４４】
続いて、予測された熱需要に基づき、強制起動時刻の再設定を行う（Ｓｔ７０）。前述のように、熱需要を満たすために、電力需要に拘らず燃料電池１０を稼働するが、熱需要の時刻に間に合うように燃料電池１０を起動しなければならない。そこで、予測された熱需要から、燃料電池１０を起動する時刻を算定する。
【００４５】
図６のフローチャートに強制起動時刻の再設定を行う作業手順を具体的に示す。先ず、再設定を行う時刻から熱需要が終了する時刻までの総熱需要を算定する（Ｓｔ７１）。熱需要が終了する時刻とは、例えば図４に示す給湯負荷では、２１時頃となる。熱需要が終了する時刻までの総熱需要だけではなく、その時刻に至る各時刻までの熱需要の積算値を算定しておくと、後述する様により詳細な強制起動時刻の設定が行えるので好ましい。
【００４６】
次に、その時点で貯湯タンク２０に蓄熱されている熱量を算定する（Ｓｔ７２）。蓄熱されている熱量は、貯湯タンク２０に貯留されている温水の温度分布と貯水量より算定し、温水の温度分布や貯水量は貯湯タンク２０に設置された計測器類による測定値に基づく。すなわち、貯湯タンク２０には、それらの計測器類と測定値を制御装置５０に伝達する計装ケーブルが備えられている。
【００４７】
総熱需要と蓄熱されている熱量との差として、必要発熱量を算定する（Ｓｔ７３）。必要発熱量の算定においては、貯湯タンク２０からの放熱などのロスを考慮することが好ましい。
【００４８】
続いて、予測された電力需要に基づき、燃料電池１０の稼働により熱需要が終了する時刻（すなわち、必要発熱量が必要な時）までに発熱する発熱量を算定する（Ｓｔ７４）。ただし、燃料電池１０の稼働により発生した熱が、総て貯湯タンク１０の温水として蓄熱されるのではないので、熱交換器３０での熱交換効率あるいは、冷却水配管１１や温水循環配管２１における放熱によるロスなどを考慮することが好ましい。また、熱需要が終了する時刻までの発熱量だけではなく、その時刻に至る各時刻までの発熱量の積算値を算定しておくと、後述する様により詳細な強制起動時刻の設定が行えるので好ましい。
【００４９】
燃料電池１０の稼働による発熱量が必要発熱量を上回るか等しい場合には、電力需要に基づく燃料電池１０の稼働により発生する熱により熱需要が満たされることになるので、強制起動時刻の設定は不要となり、強制起動時刻の再設定は行われない（Ｓｔ７５）。すなわち、強制起動時刻を解除する。燃料電池１０の稼働による発熱量が必要発熱量を下回る場合には、次の工程に進む。なお、発熱量と必要発熱量との比較は、熱需要が終了するまでの１点ではなく、熱需要が終了するまでの各時刻において行うことにより、運転途中で熱需要が不足する時間帯がなくなるので、より信頼性の高い運転を行うことができ、好ましい。
【００５０】
次に、予測された電力需要が閾値を上回り、燃料電池１０の稼働が予測される時間で、電力需要に拘らず定格運転をした場合の発熱量を算定する（Ｓｔ７６）。すなわち、燃料電池１０は、定格出力で運転するときが最も発電効率が高いので、高い発電効率においてのみ稼働することを想定する。この場合に、電力需要よりも余分に発電された電力は、電力会社の電力系統に逆潮流してもよいし、余剰電力で例えば貯湯タンク２０を加温してもよい。余剰電力で加温することにより、発熱量が増加したことと同じ効果があり、その分を発熱量に加算することができる。貯湯タンク２０を加温するためには、貯湯タンク２０に電気ヒータを備え、電気ヒータに余剰電力を供給するのがよい。なお、この定格出力での運転による発熱量の算定は、省略してもよい。
【００５１】
定格運転をした場合の発熱量が必要発熱量を上回るか等しい場合には、電力需要に基づく燃料電池１０の定格出力での稼働により発生する熱により熱需要が満たされることになるので、強制起動時刻の設定は不要となり、強制起動時刻の再設定は行われない（Ｓｔ７７）。すなわち、強制起動時刻を解除する。燃料電池１０の定格出力での稼働による発熱量が必要発熱量を下回る場合には、次の工程に進む。なお、定格運転をした場合の発熱量と必要発熱量との比較は、熱需要が終了するまでの１点ではなく、熱需要が終了するまでの各時刻において行うことにより、運転途中で熱需要が不足する時間帯がなくなるので、より信頼性の高い運転を行うことができ、好ましい。
【００５２】
電力需要に基づく燃料電池１０の稼働では熱需要を満たせないときに、強制起動時刻を再設定する（Ｓｔ７８）。すなわち、熱需要を満たすために燃料電池１０を起動する時刻を算定する。例えば、必要発熱量と発熱量との差を、燃料電池１０を稼働したときの時間あたりの発熱量で除すことにより、時間が算定されるので、熱需要が終了する時刻から遡ればよい。このときの燃料電池１０の稼働は、電力需要に基づき変動する出力で稼働するか、定格出力で稼働するとする。いずれにせよ、実際の運転と整合するようにする。以上の強制起動時刻の再設定（Ｓｔ７０もしくはＳｔ７１〜７８）は、制御装置５０の強制起動時刻設定手段５７にて行われる。
【００５３】
ここで、入力した強制起動時刻と上記により算定された強制起動時刻との差を比較・分析することにより、電力需要および熱需要が特異であるか否かを判断することができる。なお、この分析は、一度の運転ではなく、継続した運転を行い、入力した強制起動時刻と算定された強制起動時刻との差の比較が分析に耐えるだけ多数集まった後に行う。特異な電力需要あるいは熱需要であれば、以降の強制起動時刻の入力に反映することが好ましい。このように、入力する強制起動時刻を電力需要および熱需要に適合する時刻にしておくことにより、電力需要および熱需要の予測と実際の需要との差異が、突発的であるのか、常時外れているのかの判断も行い易くなり、電力需要および熱需要の予測精度の向上に寄与することができる。よって、メンテナンスが行い易くなる。
【００５４】
図２に戻り、コージェネレーションシステム１００の運転の制御の説明を続ける。強制起動時間が算定され、再設定されると、燃料電池１０の運転を制御する（Ｓｔ８０）。燃料電池１０の運転制御は、燃料電池１０の起動、燃料電池１０の停止および燃料電池１０の出力の調整、に大別できる。
【００５５】
図７に燃料電池１０の起動制御を説明するフローチャートを示す。燃料電池１０の起動制御では、先ず、計時手段５４によりその時刻を認識する（Ｓｔ８１）。そして、その時刻における、あるいは、リードタイムに相当する所定時間後の予測された電力需要の値が、燃料電池１０より定まる電力需要の閾値以上になっているかを判断する（Ｓｔ８２）。予測された電力需要の値が電力需要の閾値以上であれば、その時刻が、起動不許可時間帯であるか否かを判断する（Ｓｔ８３）。なお、上記の順番とは逆に、起動不許可時間帯であるかを判断した後に、予測された電力需要が閾値以上であるかを判断してもよい。予測された電力需要が閾値以上で、かつ、起動不許可時間帯でなければ、燃料電池１０を起動する（Ｓｔ８５）。それ以外のときには、燃料電池１０を起動しない。ただし、その時刻が、強制起動時刻に該当するかを判断し（Ｓｔ８４）、該当するときには、燃料電池１０を起動する（Ｓｔ８５）。燃料電池１０の起動制御は、制御装置５０の起動制御手段５３にて行われる。
【００５６】
上記の制御により燃料電池１０を起動すると、起動不許可時間帯には燃料電池１０を起動しないので、電力需要が低い時間帯で燃料電池１０が起動されず、燃料電池１０の起動・停止を頻繁に行わなくなる。したがって、起動・停止の繰返しによる装置の損傷あるいは寿命の低下を防ぐことができる。また、定格出力よりかなり低い出力での稼働を減らすことができるので、発電効率が高くなる。さらに、起動するためには、発電を行わないリードタイムの間も、起動するための準備作業が行われ、それだけ原料燃料等が消費される。すなわち、起動するとそれだけ総体的な原料燃料の消費に対する発電量が低下することになる。そこで、頻繁な起動・停止を抑制することにより、燃料効率の起動に伴う低下を防止し、結果として燃料効率を高めることができる。さらに、電力需要の低い時間帯で燃料電池１０を稼働しないので、その間は燃料電池１０からの排熱が蓄熱されることもなく、電力需要の高まったときに貯湯タンク２０の蓄熱量が満杯となり、燃料電池１０を停止せざるを得なくなることがない。
【００５７】
また、強制起動時刻を設定して強制起動時刻には電力需要に拘らず燃料電池１０を起動するので、熱需要を満たすことができる。熱需要を満たすことで、コージェネレーションシステム１００としての効率が高まる。特に、運転途中での熱需要が不足する時間帯をなくすことで、コージェネレーションシステム１００としての信頼性が増し、ユーザの満足度も高くなる。
【００５８】
図８に、燃料電池１０の停止制御を説明するフローチャートを示す。先ず、計時手段５４によりその時刻を認識する（Ｓｔ９１）。燃料電池１０の起動制御（Ｓｔ８１〜８５）の直後に行うときは、Ｓｔ８１で認識した時刻を用いてもよい。そして、その時刻における予測された電力需要が閾値を下回っているかを判断する（Ｓｔ９２）。予測された電力需要が閾値を下回っている場合には、強制起動時刻後であるか否かを判断する（Ｓｔ９３）。ここで、強制起動時刻後とは、強制起動時刻となって燃料電池１０を起動し、その後、蓄熱量が熱需要に達するまでの時間をいう。強制起動時刻後でなければ、燃料電池１０を停止する（Ｓｔ９６）。強制起動時刻後である場合には、貯湯タンク２０に蓄熱された熱量が熱需要に達しているかを判断する（Ｓｔ９４）。熱需要に達しているときには、燃料電池１０を停止する（Ｓｔ９６）。熱需要に達していないときには、強制起動する条件が継続しているので、燃料電池１０を停止しない。しかし、これまでの判断で燃料電池１０を停止すると判断されなかったときでも、貯湯タンク２０に蓄熱する熱量が満杯となったと判断されたとき（Ｓｔ９５）には、燃料電池１０を停止する（Ｓｔ９６）。燃料電池１０の冷却水が、熱交換器３０で冷却されず、燃料電池１０を冷却できなくなるからである。すなわち、貯湯タンク２０に蓄熱する熱量が満杯となったときとは、貯湯タンク２０の温水の体積が満杯で、その温水温度が所定の温度以上となったときである。ここで、所定の温度とは、燃料電池１０の冷却水を冷却することができる温度であり、冷却水を燃料電池１０の冷却水入口温度まで冷却することができる温度である。燃料電池１０の停止制御は、制御装置５０の停止制御手段５８で行われる。
【００５９】
次に、燃料電池１０の出力制御について説明する。定格出力で稼働するときが発電効率が高い燃料電池１０では、定格出力で稼働するのが好ましい。ただし、実際の電力需要との差である余剰電力について、電力会社の電力系統への逆潮流、あるいは、貯湯タンク２０の加熱など、有益に使用されることが前提となる。ところで、定格出力で、必要とされる電力需要より多くの発電を行うと、発電に伴う発熱量も多くなる。すると、貯湯タンク２０の蓄熱が満杯になり易くなる。そこで、蓄熱が満杯になる可能性のあるときには、燃料電池１０の出力を抑えたほうがよく、実際のあるいは予測された電力需要に応じた出力となるように制御する。予測された電力需要に応じた出力で発電しても、蓄熱が満杯になることが予想されるときには、例えば発電効率の低い出力の小さな時間帯での稼働を停止し、出力が大きく定格出力で稼働できる時間帯に稼働するようにするのが、総体的な効率が高くなるので好ましい。
【００６０】
また、電力会社の電力系統への逆潮流などの余剰電力の有益な活用が見込まれないときには、出力は電力需要以下とする。余剰電力の処理ができないからである。この場合には、電力需要よりも僅かに少ない電力を出力するように燃料電池１０を稼働し、不足分は電力会社の電力系統から購入する方が、安全であり好ましい。燃料電池１０の出力制御は、制御装置５０の出力制御手段５９で行われる。起動制御手段５３、停止制御手段５８および出力制御手段５９は、それぞれ燃料電池１０の運転制御手段の一部を構成する。
【００６１】
燃料電池１０の運転制御（Ｓｔ８０）が終わると、計時手段５４にて所定の時間が経過したことを確認した上で、再度、電力需要の予測（Ｓｔ３０）から作業が繰り返される。この繰返しは、コージェネレーションシステム１００の運転制御のサイクル単位だけ、典型的には１日の間、行われる。
【００６２】
これまでの説明では、起動不許可時間帯は、ユーザが入力し、あるいは、前日の起動不許可時間帯を用いるものとして説明したが、起動不許可時間帯は、実績により調整されてもよい。例えば、ユーザが入力した起動不許可時間帯に対して、起動不許可時間帯を解除する時間帯が例えば３日間というように数日の間連続したときには、当該時間帯を起動不許可時間帯から外しておくことで、燃料電池１０の起動が容易になる。あるいは、特定曜日において起動不許可時間帯を解除する時間が連続して生じていれば、例えば１週間若しくは１月分の実績に基づき、特定曜日によっては当該時間帯を起動不許可時間帯から外しておくことで、燃料電池１０の起動が容易になる。あるいは、季節によって起動不許可時間帯を解除する時間が連続して生じていれば、例えば１年分の実績に基づき、特定の季節によっては当該時間帯を起動不許可時間帯から外しておくことで、燃料電池１０の起動が容易になる。このように、起動不許可時間帯の実績値を記憶部５５にて記憶しておくことは有効である。
【００６３】
これまでの運転の制御においては、予測された電力需要あるいは熱需要に基づき、燃料電池１０の起動、停止等を制御している。それは、電力需要および熱需要の予測を定期的に行うので、実際の電力需要および熱需要が予測された電力需要および熱需要に反映されているからである。しかし、予測された電力需要あるいは熱需要に加え、実際の電力需要および熱需要をも参照して、燃料電池１０の起動、停止等を制御してもよい。例えば、電力需要が閾値以上に成っているかの判断（図７のＳｔ８２参照）あるいは電力需要が閾値を下回っているかの判断（図８のＳｔ９２参照）で用いる電力需要として、実際の電力需要を用いてもよい。
【００６４】
以上の説明では、発電装置として燃料電池１０を用いて説明した。燃料電池１０としては、固体高分子形燃料電池、固体酸化物形燃料電池など、いかなる種類の燃料電池も用いることができる。固体高分子形燃料電池では、比較的低温で運転でき、また装置が小型化できるので、家庭用、小規模集合住宅あるいは小規模事業所用に用いるのに好適である。あるいは、燃料電池１０ではなく、ガスタービン発電装置、蒸気タービン発電装置など他の種類の発電装置を用いてもよい。なお、ガスタービン発電装置では、冷却水の他に、タービン排気も熱源として利用され、温水を加温するのに用いることができる。また、蒸気タービン発電装置では、蒸気を復水するときに回収する熱も温水を加温するのに用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の実施の形態であるコージェネレーションシステムの構成を示す構成図である。
【図２】コージェネレーションシステムの運転の制御を示すフローチャートである。
【図３】一般的な家庭の１日当たりの電力需要の変動例のグラフである。
【図４】一般的な家庭の１日当たりの熱需要の変動例のグラフである。
【図５】図４に示した給湯負荷の変動例における、１時間当たりの平均の給湯負荷の変動のグラフである。
【図６】強制起動時刻の再設定を行う作業手順を説明するフローチャートである。
【図７】燃料電池の起動制御を説明するフローチャートである。
【図８】燃料電池の停止制御を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００６６】
１０  燃料電池
１１  冷却水配管
１２  燃料ガス配管
１３  酸化剤ガス配管
１６  電力ケーブル
２０  貯湯タンク
２１  温水循環配管
２２  温水供給配管
３０  熱交換器
５０  制御装置
５１  電力需要予測手段
５２  熱需要予測手段
５３  起動制御手段
５４  計時手段
５５  記憶手段
５６  起動不許可時間帯設定手段
５７  強制起動時刻設定手段
５８  停止制御手段
５９  出力制御手段
６１  起動不許可時間帯入力手段
１００  コージェネレーションシステム
【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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【図７】
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【図８】
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