(57)【要約】【課題】不安定なエネルギーである自然エネルギーによる発電電力を、有効に利用するシステムおよび運転方法について提案すること、および自然エネルギーによる発電電力を、電気エネルギーおよび熱エネルギーとして有効に利用することにより、既存の系統電力からの買電量を極力低減し、省エネルギーと低コスト化を実現すること。【解決手段】自然エネルギーによる発電システム、ヒートポンプ、電気ヒータ、地中熱交換器および熱利用システムからなる自然エネルギー・地中熱併用システムおよびその運転方法を提案する。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自然エネルギーによる発電システム、ヒートポンプ、電気ヒータ、地中熱交換器および熱利用システムからなる自然エネルギー・地中熱併用システム。
【請求項２】
前記熱利用システムが、融雪設備および給湯・冷暖房設備のいずれか１つであることを特徴とする請求項１に記載の自然エネルギー・地中熱併用システム。
【請求項３】
前記自然エネルギーによる発電システムが、風力発電システム、水力発電システムまたは太陽光発電システムであることを特徴とする請求項１に記載の自然エネルギー・地中熱併用システム。
【請求項４】
自然エネルギーによる発電システム、ヒートポンプ、電気ヒータ、地中熱交換器および熱利用システムからなる自然エネルギー・地中熱併用システムにおいて、熱利用システムでの熱需要が高い場合に、前記発電システムからの発電電力をヒートポンプの動力源として利用し、地中熱交換器およびヒートポンプを介して地中熱を熱利用システムに供給することを特徴とする自然エネルギー・地中熱併用システムの運転方法。
【請求項５】
自然エネルギーによる発電システム、ヒートポンプ、電気ヒータ、地中熱交換器および熱利用システムからなる自然エネルギー・地中熱併用システムにおいて、熱利用システムでの熱需要が低い場合に、前記発電システムからの発電電力を電気ヒータの動力源として利用し、該電気ヒータから発生した熱を、地中熱交換器を介して地中に蓄熱することを特徴とする自然エネルギー・地中熱併用システムの運転方法。
【請求項６】
自然エネルギーによる発電システム、ヒートポンプ、電気ヒータ、地中熱交換器および熱利用システムからなる自然エネルギー・地中熱併用システムにおいて、熱利用システムに余剰熱がある場合に、前記発電システムからの発電電力をヒートポンプの動力源として利用し、前記余剰熱を、ヒートポンプおよび地中熱交換器を介して、地中に蓄熱することを特徴とする自然エネルギー・地中熱併用システムの運転方法。
【請求項７】
前記熱利用システムが、融雪設備および給湯・冷暖房設備のいずれか１つであることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の自然エネルギー・地中熱併用システムの運転方法。
【請求項８】
前記自然エネルギーによる発電システムが、風力発電システムまたは太陽光発電システムであることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の自然エネルギー・地中熱併用システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自然エネルギーによる発電電力の有効利用システムに関し、とくに自然エネルギーによる発電システム、ヒートポンプおよび電気ヒータを組み合わせることにより、発電電力を最大限に利用することのできる省エネルギーシステム、およびその運転方法について提案するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、空気あるいは地中熱を熱源としたヒートポンプを用いた空調および給湯システムが開発され、その導入が推進されている。このシステムは、地中熱など、これまで利用されていなかった未利用エネルギーを熱源として利用できること、および従来のボイラーシステムとは異なり、燃焼によらないクリーンエネルギーシステムであることから注目され、こうしたシステムの導入により、二酸化炭素の排出量が、ガスまたは灯油ボイラーに対し、約７０〜８０％も削減できることから早期の普及が期待されている。
【０００３】
風力発電や太陽光発電などの自然エネルギーを利用した発電もまた、燃焼によらないクリーンエネルギーであり、無尽蔵な自然エネルギー源でもあることから、その導入が全世界で推進されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えば風力発電の場合、風のある場合にしか発電することができないこと、風が強すぎても発電することができないこと等、風量・風向・風速の変動によって発電量が左右されるという問題点があり、同様に太陽光発電の場合も、日光の照射量等によって発電量が左右されるなど、自然エネルギーを利用した発電システムを、常用電力として有効に利用することが難しかった。
【０００５】
また、自然エネルギーによる発電を、熱利用システム等と組み合わせて使用した場合、熱利用システムの熱負荷（季節、時間等）に応じて、必要電力量が左右されてしまい、発電電力を有効に利用できない場合もあった。
【０００６】
そこで、本発明は、不安定なエネルギーである自然エネルギーによる発電電力を、有効に利用するシステムおよび運転方法について提案することを目的とする。また、自然エネルギーによる発電電力を、電気エネルギーおよび熱エネルギーとして有効に利用することにより、既存の系統電力からの買電量を極力低減し、省エネルギーと低コスト化を実現することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、従来の自然エネルギーによる発電電力の有効利用および該発電電力を利用した熱利用システムが抱えている上述した課題を解決するため、鋭意研究を行なった。そして、発電電力を熱利用システムの熱負荷に応じてヒートポンプあるいは電気ヒータの電源として使用し、発生した熱を熱利用システムあるいは地中へ供給することにより、発電電力を電気エネルギーあるいは熱エネルギーとして有効に利用することができることに想到し、本発明を開発するに至った。
【０００８】
すなわち、本発明は、自然エネルギーによる発電システム、ヒートポンプ、電気ヒータ、地中熱交換器および熱利用システムからなる自然エネルギー・地中熱併用システムである。
【０００９】
また、本発明は、自然エネルギーによる発電システム、ヒートポンプ、電気ヒータ、地中熱交換器および熱利用システムからなる自然エネルギー・地中熱併用システムにおいて、熱利用システムでの熱需要が高い場合に、前記発電システムからの発電電力をヒートポンプの動力源として利用し、地中熱交換器およびヒートポンプを介して地中熱を熱利用システムに供給することを特徴とする自然エネルギー・地中熱併用システムの運転方法である。
【００１０】
また、本発明は、自然エネルギーによる発電システム、ヒートポンプ、電気ヒータ、地中熱交換器および熱利用システムからなる自然エネルギー・地中熱併用システムにおいて、熱利用システムでの熱需要が低い場合に、前記発電システムからの発電電力を電気ヒータの動力源として利用し、該電気ヒータから発生した熱を、地中熱交換器を介して地中に蓄熱することを特徴とする自然エネルギー・地中熱併用システムの運転方法である。
【００１１】
また、本発明は、自然エネルギーによる発電システム、ヒートポンプ、電気ヒータ、地中熱交換器および熱利用システムからなる自然エネルギー・地中熱併用システムにおいて、熱利用システムに余剰熱がある場合に、前記発電システムからの発電電力をヒートポンプの動力源として利用し、前記余剰熱を、ヒートポンプおよび地中熱交換器を介して、地中に蓄熱することを特徴とする自然エネルギー・地中熱併用システムの運転方法である。
【００１２】
なお、本発明にかかる風力発電電力有効利用システムおよびその運転方法においては、前記熱利用システムが、融雪設備および給湯・冷暖房設備のいずれか１つであること、そして、前記自然エネルギーによる発電システムが、風力発電システム、水力発電システムまたは太陽光発電システムであること、が好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる自然エネルギー・地中熱併用システムは、図１および図２に示すように主に自然エネルギーによる発電システム、ヒートポンプ、電気ヒータ、地中熱交換器および熱利用システムから構成される。なお、図１および２では、自然エネルギーによる発電システムとして風力発電システムを例として説明したが、水力発電システムや太陽光発電システムを用いても良い。また、図１は、熱利用システムが融雪設備の場合であり、図２は、熱利用システムが給湯・冷暖房である場合を示す。また、風力発電システムは、無風時や風力発電電力量の不足時に備え、系統電力と連系しておくことが好ましい。
【００１４】
図１を用いて本発明にかかる風力発電電力有効利用システムの運転方法の実施形態について説明する。図１に示すシステムにおける運転方法においては、融雪設備４での融雪の要否および融雪設備４の余剰熱の有無に応じて運転を切り換えるところに特徴がある。
【００１５】
始めに、融雪設備４での融雪の必要がある場合について説明する（図１（ａ））。
融雪設備４に設けられた降雪センサー１３にて路面上の積雪が感知されると、まず、降雪センサー１３から制御装置１２へ融雪実施の信号が伝送され、制御装置１２から各機器へ融雪実施の指令が出される。
【００１６】
すなわち、風力発電システム１からの発電電力がヒートポンプ２へ供給される。そして、循環媒体６を地中熱交換器５を介して昇温（２℃程度）し、ヒートポンプ２へ温熱源として導く。なお、循環媒体６は、電気ヒータ３をバイパスする側を通る（電気ヒータ３側の３方弁が閉となる）。そして、ヒートポンプ２に導かれた前記温熱源によって融雪用循環液７を加温し（１５℃程度）、この融雪用循環液７が地中に埋設された融雪パイプ中を循環することにより、融雪パイプ上の路面に積雪した雪を融雪する。
なお、ヒートポンプ２の運転に必要な風力発電電力量が不足の場合には、不足分を系統電力から受電し、逆に風力発電電力量が余剰する場合には、余剰分を系統電力へ売電する。
【００１７】
次に、融雪設備４での融雪の必要がない場合について説明する（図１（ｂ））。
融雪設備４に設けられた降雪センサー１３にて路面上の積雪がないと判断されると、まず、降雪センサー１３から制御装置１２へ融雪不要の信号が伝送され、各機器へ融雪不要の指令が出される。
【００１８】
すなわち、風力発電システム１からの発電電力は、電気ヒータ３へ供給される。そして、電気ヒータ３で発生した熱は、循環媒体６を加温し、ヒートポンプ２をバイパスするラインを通って（ヒートポンプ２側の３方弁が閉となる）地中熱交換器５を介して地中に蓄熱される。なお、地中に蓄熱された熱は、図１（ａ）に示した場合のように、地中熱源が必要な時に備えて蓄えておく。このように、風力発電電力を熱エネルギーとして地中に蓄熱することにより、風力発電電力を最大限、有効に利用することができる。
【００１９】
次に、融雪設備４において、融雪の必要がなく、かつ余剰熱がある場合について説明する（図１（ｃ））。
融雪設備４に設けられた降雪センサー１３にて路面上の積雪がないと判断され、さらに路面温度センサー１４にて、路面温度がある一定以上の温度であると感知されると、降雪センサー１３および路面温度センサー１４から、制御装置１２へ融雪不要かつ余剰熱有りの信号が伝送され、各機器へ指令が出される。
【００２０】
この場合の余剰熱とは、融雪パイプ上の路面温度が高いため、融雪用循環液７が加温され、融雪用循環液７中に蓄えられた熱のことである。まず、風力発電システム１からの発電電力は、ヒートポンプ２へ供給される。余剰熱を蓄えた融雪用循環液７をヒートポンプ２の温熱源としてヒートポンプ２へ導き、この熱をヒートポンプ２を介して、循環媒体６に回収する。そして、循環媒体６に回収された熱は、地中熱交換器５を介して地中に蓄熱され、地中熱源が必要な時に備えて地中に蓄えておく。
【００２１】
同様に、図２に示すシステムにおける運転方法においては、給湯・冷暖房設備８ａ、８ｂでの熱需要の要否に応じて運転を切り換えるところに特徴がある。この場合、冷暖房設備１０および給湯設備１１に温度センサー等を設けて、制御装置１２へ熱需要の要否の指示を送っても良いが、需要者が熱需要の要否によって制御装置１２へ指示する方が経済的であり、好ましい。
【００２２】
始めに、給湯・冷暖房設備８ａ、８ｂでの熱需要がある場合について説明する（図２（ａ））。
（暖房運転時）
まず、需要者から制御装置１２に熱需要有りの指示が送られると、風力発電システム１からの発電電力が、ヒートポンプ２へ供給される。そして、循環媒体６を地中熱交換器５を介して昇温（２℃程度）し、ヒートポンプ２へ温熱源として導く。なお、循環媒体６は、電気ヒータ３をバイパスする側を通る（電気ヒータ３側の３方弁が閉となる）。そして、ヒートポンプ２に導かれた前記温熱源は、循環媒体９ａ、９ｂを加温し（５℃程度）、該循環媒体９ａ、９ｂを介して、蓄熱槽１０および貯湯槽１１に蓄熱される。このとき、蓄熱槽１０および貯湯槽１１内の媒体温度は、６０℃程度まで昇温され、それぞれ暖房用熱源および給湯用熱源として利用される。
【００２３】
（冷房運転時）
まず、需要者から制御装置１２に冷房需要有りの指示が送られると、風力発電システム１からの発電電力が、ヒートポンプ２へ供給される。そして、ヒートポンプ２を介して循環媒体９ａを冷却し（５℃程度）、得られた冷熱を蓄熱槽１０に回収して冷房装置８ａの冷熱源として利用する。一方、循環媒体９ｂは、ヒートポンプ２を介して昇温（５℃程度）され、貯湯槽１１に蓄熱される。このとき、貯湯槽１１内の媒体温度は、６０℃程度まで昇温され、給湯用熱源として利用される。
【００２４】
なお、このサイクルにおいては、貯湯槽１１の水温が６０℃に達した時点で、循環媒体９ｂの循環運転を停止する。そして、この給湯熱源として回収されない余剰の熱は、ヒートポンプ２を介して循環媒体６に回収し、さらに地中熱交換器５を介して地中に蓄熱して、地中熱源が必要な時に備えて地中に蓄えておく。
【００２５】
また、ヒートポンプ２の運転に必要な風力発電電力量が不足の場合には、不足分を系統電力から受電し、逆に風力発電電力量が余剰する場合には、余剰分を系統電力へ売電する。
【００２６】
次に、給湯・冷暖房設備８ａ、８ｂでの熱需要がない場合について説明する（図２（ｂ））。
まず、需要者から制御装置１２へ熱需要無しの指示が送られると、風力発電システム１からの発電電力が、電気ヒータ３へ供給される。そして、電気ヒータ３で発生した熱は、循環媒体６を加温し、ヒートポンプ２をバイパスするライン（ヒートポンプ２側の３方弁が閉）を通って地中熱交換器５を介して地中に蓄熱される。なお、地中に蓄熱された熱は、図２（ａ）に示した場合のように、地中熱源が必要な時に備えて蓄えておく。このように、風力発電電力を熱エネルギーとして地中に蓄熱することにより、風力発電電力を最大限、有効に利用することができる。
【００２７】
以上のようにして、風力発電電力のような自然エネルギーによる発電電力を、電気エネルギーあるいは熱エネルギーとして最大限利用すると共に、系統電力からの受電量を低減することができるため、省エネルギーと買電料金の低減により低コスト化を実現することができる。また、路面の有する余剰熱という、従来廃棄されていた未利用エネルギーを有効に利用することができるため、省エネルギー性に一層優れたシステムを提供することができる。
【００２８】
【発明の効果】
従来の自然エネルギーによる発電システムでは、季節や時間毎の電力および熱需要量の変動から、折角発電した電力を有効に利用できない場合があった。しかしながら、本発明にかかるシステムおよび運転方法を適用し、熱利用システム側の熱負荷の有無および余剰熱の有無など稼動条件に応じて、運転を切り換えることによって、自然エネルギーによる発電電力を電気エネルギーとして利用、あるいは熱エネルギーとして蓄熱し、最大限に利用することができるになる。
また、蓄電器と比較してメンテナンスコストを下げられることも効果のひとつである。
さらに、自然エネルギーによる発電電力を有効に利用することができるため、既存の系統電力からの買電量が低減し、省エネルギーと低コスト化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる風力発電電力有効利用システムのシステムフロー図である。
【図２】本発明にかかる風力発電電力有効利用システムのシステムフロー図である。
【符号の説明】
１　・・・　風力発電システム
２　・・・　ヒートポンプ
３　・・・　電気ヒータ
４　・・・　融雪設備
５　・・・　地中熱交換器
６　・・・　循環媒体
７　・・・　融雪用循環液
８　・・・　給湯・冷暖房用循環液
９　・・・　循環媒体
１０・・・　冷暖房設備
１１・・・　給湯設備
１２・・・　制御装置
１３・・・　降雪センサー
１４・・・　路面温度センサー
【図１】
2004069197.tif 000003
【図２】
2004069197.tif 000004