(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
定格発電量の電力と熱とを発生する熱電併給装置と、
前記熱電併給装置で発生した熱を貯める蓄熱タンクと、
前記熱電併給装置で発生した電力を熱に変換する電熱変換手段と、
所定時間を１周期として、その１周期および次の１周期それぞれ内の熱需要および電力需要それぞれの経時的変化を予め特定する需要変化特定手段と、
不足分の電力を投入可能な買電手段とを備え、
前記１周期内での熱需要分またはその大半に相当する量の熱を前記熱電併給装置により前記１周期内で発生させて消費する第１の状態、および、負荷電力の多い時間帯で運転して余剰となった熱を次の周期で消費する第２の状態それぞれを想定し、前記１周期を設定時間間隔ごとに分割した運転開始時刻を順次入力し、前記蓄熱タンク内の蓄熱量が０以上になるようにして、全体の一次エネルギーの換算値が最小となる最適運転状態を前記第１および第２の状態の全体から求め、求められた最適運転状態の運転開始時刻とその運転開始時刻から導かれる運転終了時刻とによって、前記熱電併給装置を定格発電量で運転するとともに電力需要が定格発電量よりも小さいときの余剰電力を前記電熱変換手段で熱に変換することを特徴とするコージェネレーションシステムの運転方法。
【請求項２】
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、
所定時間を１周期Ｔとして、その１周期Ｔおよび次の１周期Ｔそれぞれ内の熱需要および電力需要それぞれの経時的変化を予め特定する需要変化特定手段を備え、
前記１周期Ｔ内での熱需要分またはその大半に相当する量の熱を前記熱電併給装置により前記１周期Ｔ内で発生させて消費する第１の状態、および、負荷電力の多い時間帯で運転して余剰となった熱を次の周期で消費する第２の状態それぞれを想定し、前記１周期Ｔを設定時間間隔ごとに分割した運転開始時刻ａを順次入力し、前記蓄熱タンク内の蓄熱量の変動値Ｓ（ｔ）が常に下記条件式（１）を満たすとともに、下記一次エネルギーの換算値ＰＥ１［式（３）］が最小となる最適運転状態を前記第１および第２の状態の全体から求め、求められた最適運転状態の運転開始時刻ａとその運転開始時刻ａから導かれる運転終了時刻ｂとによって、前記熱電併給装置を定格発電量で運転するとともに電力需要が定格発電量よりも小さいときの余剰電力を前記電熱変換手段で熱に変換することを特徴とするコージェネレーションシステムの運転方法。
【数１】
0004605942.tif 000045
ここで、Ｓ（０）は初期蓄熱量を示し、Ｆは定格発電量を、ｋは熱電比をそれぞれ示している。
また、ｈ（ｔ）は、予め特定された熱需要の経時的変化を示す関数であり、ｅｘ（ｔ）はシステムからの放熱量である。そして、Ｈは、余剰電力を電熱変換手段で熱に変換した変換熱量で、Ｆ＞ｅ（ｔ）の分を積算するものであり、下記（２）式で表される。
【数２】
0004605942.tif 000046
但し、ｅ（ｔ）＜Ｆであれば、Ｅ（ｔ）＝ｅ（ｔ）
ｅ（ｔ）≧Ｆであれば、Ｅ（ｔ）＝Ｆ
ここで、Ｅ（ｔ）は、負荷電力が定格電力を越える場合は定格電力量となり、負荷電力が定格電力より小さい場合はその負荷電力量となる電力量であり、ｅ（ｔ）は、予め特定された電力需要の経時的変化を示す関数である。
ＰＥ１＝ＧＩ・α＋ＢＥ・β……（３）
ここで、ＧＩは運転開始時刻ａから運転終了時刻ｂまでの熱電併給装置の運転に要する燃料供給量であり、次式（４）で表される。αは燃料の一次エネルギーへの換算値である。
【数３】
0004605942.tif 000047
ここで、ＧＩ（ｔ）は、使用する熱電併給装置によって特定される燃料供給量である。
ＢＥは、１周期Ｔとなる所定時間Ｔ内での不足分の電力の投入量であり、次式（５）で表される。βは電力の一次エネルギーへの換算値である。
【数４】
0004605942.tif 000048
ここで、ＧＰは、熱電併給装置の発電量であり、次式（６）で表される。
【数５】
0004605942.tif 000049
但し、ｅ（ｔ）＜Ｆであれば、Ｅ（ｔ）＝ｅ（ｔ）
ｅ（ｔ）≧Ｆであれば、Ｅ（ｔ）＝Ｆ
【請求項３】
負荷電力が定格発電量より少ない場合負荷に合わせて運転することができる電力と熱とを発生する熱電併給装置と、
前記熱電併給装置で発生した熱を貯める蓄熱タンクと、
所定時間を１周期として、その１周期および次の１周期それぞれ内の熱需要および電力需要それぞれの経時的変化を予め特定する需要変化特定手段と、
不足分の電力を投入可能な買電手段とを備え、
前記１周期内での熱需要分に相当する量の熱を前記熱電併給装置により前記１周期内で発生させて消費する第１の状態、および、負荷電力の多い時間帯で運転して余剰となった熱を次の周期で消費する第２の状態それぞれを想定し、前記１周期を設定時間間隔ごとに分割した運転開始時刻を順次入力し、前記蓄熱タンク内の蓄熱量が０以上になるようにして、全体の一次エネルギーの換算値が最小となる最適運転状態を前記第１および第２の状態の全体から求め、求められた最適運転状態の運転開始時刻とその運転開始時刻から導かれる運転終了時刻とによって、前記熱電併給装置を定格発電量で運転するとともに電力需要が定格発電量よりも小さいときには電力需要の変化に追従させて運転することを特徴とするコージェネレーションシステムの運転方法。
【請求項４】
請求項３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、
所定時間を１周期Ｔとして、その１周期Ｔおよび次の１周期Ｔそれぞれ内の熱需要および電力需要それぞれの経時的変化を予め特定する需要変化特定手段を備え、
前記１周期Ｔ内での熱需要分に相当する量の熱を前記熱電併給装置により前記１周期Ｔ内で発生させて消費する第１の状態、および、負荷電力の多い時間帯で運転して余剰となった熱を次の周期で消費する第２の状態それぞれを想定し、前記１周期Ｔを設定時間間隔ごとに分割した運転開始時刻ａを順次入力し、前記蓄熱タンク内の蓄熱量の変動値Ｓ（ｔ）が常に下記条件式（７）を満たすとともに、下記一次エネルギーの換算値ＰＥ１［式（３）］が最小となる最適運転状態を前記第１および第２の状態の全体から求め、求められた最適運転状態の運転開始時刻ａとその運転開始時刻ａから導かれる運転終了時刻ｂとによって、前記熱電併給装置を定格発電量で運転するとともに電力需要が定格発電量よりも小さいときには電力需要の変化に追従させて運転することを特徴とするコージェネレーションシステムの運転方法。
【数６】
0004605942.tif 000050
ここで、Ｓ（０）は初期蓄熱量を示し、Ｅ（ｔ）は、負荷電力が定格電力を越える場合は定格電力量となり、負荷電力が定格電力より小さい場合はその負荷電力量となる電力量である。Ｂ［Ｅ（ｔ）］は、電力量Ｅ（ｔ）における熱電併給装置の発生熱量を示している。
また、ｈ（ｔ）は、予め特定された熱需要の経時的変化を示す関数であり、ｅｘ（ｔ）はシステムからの放熱量である。
ＰＥ１＝ＧＩ・α＋ＢＥ・β……（３）
ここで、ＧＩは運転開始時刻ａから運転終了時刻ｂまでの熱電併給装置の運転に要する燃料供給量であり、次式（４ａ）で表される。αは燃料の一次エネルギーへの換算値である。
【数７】
0004605942.tif 000051
ここで、ＧＩ（ｔ）は、負荷電力が定格発電量以下の運転において使用する熱電併給装置によって特定される燃料供給量である。
ＢＥは、１周期Ｔとなる所定時間Ｔ内での不足分の電力の投入量であり、次式（５）で表される。βは電力の一次エネルギーへの換算値である。
【数８】
0004605942.tif 000052
ここで、ＧＰは、熱電併給装置の発電量であり、次式（６）で表される。
【数９】
0004605942.tif 000053
但し、ｅ（ｔ）＜Ｆであれば、Ｅ（ｔ）＝ｅ（ｔ）
ｅ（ｔ）≧Ｆであれば、Ｅ（ｔ）＝Ｆ
上記（５）および（６）式において、ｅ（ｔ）は、予め特定された電力需要の経時的変化を示す関数である。
【請求項５】
複数段に設定した発電量で運転して設定発電量の電力と熱とを発生する熱電併給装置と、
前記熱電併給装置で発生した熱を貯める蓄熱タンクと、
所定時間を１周期として、その１周期および次の１周期それぞれ内の熱需要および電力需要それぞれの経時的変化を予め特定する需要変化特定手段と、
不足分の電力を投入可能な買電手段とを備え、
前記１周期内での熱需要分に相当する量の熱を前記熱電併給装置により前記１周期内で発生させて消費する第１の状態、および、負荷電力の多い時間帯で運転して余剰となった熱を次の周期で消費する第２の状態それぞれを想定し、前記１周期を電気負荷に合わせて、複数段に設定した発電量で運転し、その複数段の発電量が変わる時刻を複数段の設定発電量の運転状態それぞれに順次入力し、前記蓄熱タンク内の蓄熱量が０以上になるようにして、全体の一次エネルギーの換算値が最小となる最適運転状態を前記第１および第２の状態の全体から求め、求められた最適運転状態の運転開始時刻によって、前記熱電併給装置を複数段の設定発電量で運転することを特徴とするコージェネレーションシステムの運転方法。
【請求項６】
請求項５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、
所定時間を１周期Ｔとして、その１周期Ｔおよび次の１周期Ｔそれぞれ内の熱需要および電力需要それぞれの経時的変化を予め特定する需要変化特定手段を備え、
前記１周期Ｔ内での熱需要分に相当する量の熱を前記熱電併給装置により前記１周期Ｔ内で発生させて消費する第１の状態、および、負荷電力の多い時間帯で運転して余剰となった熱を次の周期で消費する第２の状態それぞれを想定し、前記１周期Ｔを電気負荷に合わせて、複数段に設定した発電量で運転し、その複数段の発電量が変わる時刻をａ1 ，…，ａn-1 （ｎは正の整数）として複数段の設定発電量の運転状態それぞれに順次入力し、前記蓄熱タンク内の蓄熱量の変動値Ｓ’（ｔ）が常に下記条件式（８）を満たすとともに、下記一次エネルギーの換算値ＰＥ１’［式（９）］が最小となる最適運転状態を前記第１および第２の状態の全体から求め、求められた最適運転状態の運転開始時刻ａ1 ，…，ａn-1 によって、前記熱電併給装置を複数段の設定発電量で運転することを特徴とするコージェネレーションシステムの運転方法。
【数１０】
0004605942.tif 000054
ここで、Ｓ’（０）は初期蓄熱量を示し、Ｆ1 、…、Ｆn は各設定発電量を、ｋ1 、…、ｋn は各設定発電量の熱電比をそれぞれ示している。Ｈ1 、Ｈ2 、…、Ｈn-1 は余剰電力を電熱変換手段で熱に変換した変換熱量であり、次式で示される。
【数１１】
0004605942.tif 000055
但し、ｅ（ｔ）＜Ｆk であれば、Ｅk （ｔ）＝ｅ（ｔ）
ｅ（ｔ）≧Ｆk であれば、Ｅk （ｔ）＝Ｆk
ｋは１からｎ−１までの整数である。
Ｅk （ｔ）は、負荷電力が各設定発電量を越える場合は各設定発電量となり、負荷電力が各設定発電量より小さい場合はその負荷電力量となる電力量である。また、ｈ（ｔ）は、予め特定された熱需要の経時的変化を示す関数であり、ｅｘ（ｔ）はシステムからの放熱量である。
ＰＥ１’＝ＧＩ’・α＋ＢＥ’・β……（９）
ここで、ＧＩ’は、各複数段に設定した運転の運転開始時刻ａ1 ，…，ａn-1からの熱電併給装置の運転に要する総燃料供給量であり、次式（１０）で表される。ｎは正の整数であり、ＧＩ’（ｔ）は、複数段の発電に起因して運転される熱電併給装置によって特定される燃料供給量である。αは燃料の一次エネルギーへの換算値である。
【数１２】
0004605942.tif 000056
ＢＥ’は、１周期Ｔとなる所定時間Ｔ内での不足分の電力の投入量であり、次式（１１）で表される。βは電力の一次エネルギーへの換算値である。
【数１３】
0004605942.tif 000057
ここで、ＧＰ’は、熱電併給装置の発電量であり、次式（１２）で表される。
【数１４】
0004605942.tif 000058
但し、ｅ（ｔ）＜Ｆk であれば、Ｅk （ｔ）＝ｅ（ｔ）
ｅ（ｔ）≧Ｆk であれば、Ｅk （ｔ）＝Ｆk
上記（１１）および（１２）式において、ｅ（ｔ）は、予め特定された電力需要の経時的変化を示す関数である。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンと発電機とを一体化したものとか燃料電池といったような、電力と熱とを発生する熱電併給装置を設け、電力と熱の両方を得るように構成したコージェネレーションシステムの運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のものとして、電力需要に追従して運転するように構成したものがあったが、熱電併給装置で発生した熱の総量が熱需要量よりも必要以上に多いと、余剰の熱を捨てることになって無駄である。
【０００３】
そこで、熱電併給装置で発生した熱を貯める蓄熱タンクを設け、その蓄熱タンク内の上下の所定箇所に温度センサを設け、その温度変化に基づいて蓄熱タンク内に温水が満杯になったかほぼ空になったかを判別させ、熱電併給装置の運転を制御し、熱需要に対応できるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際に熱を必要としない場合でも蓄熱タンク内に熱を貯めることになり、その貯めた熱を消費するまでの時間が長いと、蓄熱タンクからの放熱量が多くなり、この放熱ロスのために省エネルギー性が低下する欠点があった。
【０００５】
運転形態としては、定格運転、定格以下の部分は電力需要に追従する運転、更には複数段の電力量での運転があるが、いずれにおいても、放熱ロスを少なくするために、熱を消費するまでの時間が短くなるように熱電併給装置を運転しようとすると、電力需要が少ないときに運転することになって、見掛け上の発電効率または発電効率が低下してしまい、省エネルギー性がかえって低下する問題がある。
【０００６】
逆に、発電効率を重視し、発電効率が高い状態で熱電併給装置を運転しようとすると、前述同様に、放熱ロスのために、省エネルギー性が低下する問題がある。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、請求項１および請求項２に係る発明は、見掛け上の発電効率を極力高くするとともに放熱ロスを極力少なくする状態で熱電併給装置を運転し、省エネルギー性を向上できるようにすることを目的とし、請求項３、請求項４、請求項５および請求項６に係る発明は、発電効率を極力高くするとともに放熱ロスを極力少なくする状態で熱電併給装置を運転し、省エネルギー性を向上できるようにすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明のコージェネレーションシステムの運転方法は、上述のような目的を達成するために、
定格発電量の電力と熱とを発生する熱電併給装置と、
前記熱電併給装置で発生した熱を貯める蓄熱タンクと、
前記熱電併給装置で発生した電力を熱に変換する電熱変換手段と、
所定時間を１周期として、その１周期および次の１周期それぞれ内の熱需要および電力需要それぞれの経時的変化を予め特定する需要変化特定手段と、
不足分の電力を投入可能な買電手段とを備え、
前記１周期内での熱需要分またはその大半に相当する量の熱を前記熱電併給装置により前記１周期内で発生させて消費する第１の状態、および、負荷電力の多い時間帯で運転して余剰となった熱を次の周期で消費する第２の状態それぞれを想定し、前記１周期を設定時間間隔ごとに分割した運転開始時刻を順次入力し、前記蓄熱タンク内の蓄熱量が０以上になるようにして、全体の一次エネルギーの換算値が最小となる最適運転状態を前記第１および第２の状態の全体から求め、求められた最適運転状態の運転開始時刻とその運転開始時刻から導かれる運転終了時刻とによって、前記熱電併給装置を定格発電量で運転するとともに電力需要が定格発電量よりも小さいときの余剰電力を前記電熱変換手段で熱に変換することを特徴としている。
また、請求項２に係る発明のコージェネレーションシステムの運転方法は、上述のような目的を達成するために、
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、
所定時間を１周期Ｔとして、その１周期Ｔおよび次の１周期Ｔそれぞれ内の熱需要および電力需要それぞれの経時的変化を予め特定する需要変化特定手段を備え、
前記１周期Ｔ内での熱需要分またはその大半に相当する量の熱を前記熱電併給装置により前記１周期Ｔ内で発生させて消費する第１の状態、および、負荷電力の多い時間帯で運転して余剰となった熱を次の周期で消費する第２の状態それぞれを想定し、前記１周期Ｔを設定時間間隔ごとに分割した運転開始時刻ａを順次入力し、前記蓄熱タンク内の蓄熱量の変動値Ｓ（ｔ）が常に下記条件式（１）を満たすとともに、下記一次エネルギーの換算値ＰＥ１［式（３）］が最小となる最適運転状態を前記第１および第２の状態の全体から求め、求められた最適運転状態の運転開始時刻ａとその運転開始時刻ａから導かれる運転終了時刻ｂとによって、前記熱電併給装置を定格発電量で運転するとともに電力需要が定格発電量よりも小さいときの余剰電力を前記電熱変換手段で熱に変換することを特徴としている。
【数１５】
0004605942.tif 000002
ここで、Ｓ（０）は初期蓄熱量を示している。Ｆは定格発電量を、ｋは熱電比をそれぞれ示している。
また、ｈ（ｔ）は、予め特定された熱需要の経時的変化を示す関数であり、ｅｘ（ｔ）はシステムからの放熱量である。そして、Ｈは、余剰電力を電熱変換手段で熱に変換した変換熱量で、Ｆ＞ｅ（ｔ）の分を積算するものであり、下記（２）式で表される。
【数１６】
0004605942.tif 000003
但し、ｅ（ｔ）＜Ｆであれば、Ｅ（ｔ）＝ｅ（ｔ）
ｅ（ｔ）≧Ｆであれば、Ｅ（ｔ）＝Ｆ
ここで、Ｅ（ｔ）は、負荷電力が定格電力を越える場合は定格電力量となり、負荷電力が定格電力より小さい場合はその負荷電力量となる電力量であり、ｅ（ｔ）は、予め特定された電力需要の経時的変化を示す関数である。
ＰＥ１＝ＧＩ・α＋ＢＥ・β……（３）
ここで、ＧＩは運転開始時刻ａから運転終了時刻ｂまでの熱電併給装置の運転に要する燃料供給量であり、次式（４）で表される。αは燃料の一次エネルギーへの換算値である。
【数１７】
0004605942.tif 000004
ここで、ＧＩ（ｔ）は、使用する熱電併給装置によって特定される燃料供給量である。
ＢＥは、１周期Ｔとなる所定時間Ｔ内での不足分の電力の投入量であり、次式（５）で表される。βは電力の一次エネルギーへの換算値である。
【数１８】
0004605942.tif 000005
ここで、ＧＰは、熱電併給装置の発電量であり、次式（６）で表される。
【数１９】
0004605942.tif 000006
但し、ｅ（ｔ）＜Ｆであれば、Ｅ（ｔ）＝ｅ（ｔ）
ｅ（ｔ）≧Ｆであれば、Ｅ（ｔ）＝Ｆ
【０００９】
また、請求項３に係る発明のコージェネレーションシステムの運転方法は、前述のような目的を達成するために、
負荷電力が定格発電量より少ない場合負荷に合わせて運転することができる電力と熱とを発生する熱電併給装置と、
前記熱電併給装置で発生した熱を貯める蓄熱タンクと、
所定時間を１周期として、その１周期および次の１周期それぞれ内の熱需要および電力需要それぞれの経時的変化を予め特定する需要変化特定手段と、
不足分の電力を投入可能な買電手段とを備え、
前記１周期内での熱需要分に相当する量の熱を前記熱電併給装置により前記１周期内で発生させて消費する第１の状態、および、負荷電力の多い時間帯で運転して余剰となった熱を次の周期で消費する第２の状態それぞれを想定し、前記１周期を設定時間間隔ごとに分割した運転開始時刻を順次入力し、前記蓄熱タンク内の蓄熱量が０以上になるようにして、全体の一次エネルギーの換算値が最小となる最適運転状態を前記第１および第２の状態の全体から求め、求められた最適運転状態の運転開始時刻とその運転開始時刻から導かれる運転終了時刻とによって、前記熱電併給装置を定格発電量で運転するとともに電力需要が定格発電量よりも小さいときには電力需要の変化に追従させて運転することを特徴としている。
また、請求項４に係る発明のコージェネレーションシステムの運転方法は、前述のような目的を達成するために、
請求項３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、
所定時間を１周期Ｔとして、その１周期Ｔおよび次の１周期Ｔそれぞれ内の熱需要および電力需要それぞれの経時的変化を予め特定する需要変化特定手段を備え、
前記１周期Ｔ内での熱需要分に相当する量の熱を前記熱電併給装置により前記１周期Ｔ内で発生させて消費する第１の状態、および、負荷電力の多い時間帯で運転して余剰となった熱を次の周期で消費する第２の状態それぞれを想定し、前記１周期Ｔを設定時間間隔ごとに分割した運転開始時刻ａを順次入力し、前記蓄熱タンク内の蓄熱量の変動値Ｓ（ｔ）が常に下記条件式（７）を満たすとともに、下記一次エネルギーの換算値ＰＥ１［式（３）］が最小となる最適運転状態を前記第１および第２の状態の全体から求め、求められた最適運転状態の運転開始時刻ａとその運転開始時刻ａから導かれる運転終了時刻ｂとによって、前記熱電併給装置を定格発電量で運転するとともに電力需要が定格発電量よりも小さいときには電力需要の変化に追従させて運転することを特徴としている。
【数２０】
0004605942.tif 000007
ここで、Ｓ（０）は初期蓄熱量を示し、Ｅ（ｔ）は、負荷電力が定格電力を越える場合は定格電力量となり、負荷電力が定格電力より小さい場合はその負荷電力量となる電力量である。Ｂ［Ｅ（ｔ）］は、電力量Ｅ（ｔ）における熱電併給装置の発生熱量を示している。
また、ｈ（ｔ）は、予め特定された熱需要の経時的変化を示す関数であり、ｅｘ（ｔ）はシステムからの放熱量である。
ＰＥ１＝ＧＩ・α＋ＢＥ・β……（３）
ここで、ＧＩは運転開始時刻ａから運転終了時刻ｂまでの熱電併給装置の運転に要する燃料供給量であり、次式（４ａ）で表される。αは燃料の一次エネルギーへの換算値である。
【数２１】
0004605942.tif 000008
ここで、ＧＩ（ｔ）は、負荷電力が定格発電量よりも少ない運転において使用する熱電併給装置によって特定される燃料供給量である。
ＢＥは、１周期Ｔとなる所定時間Ｔ内での不足分の電力の投入量であり、次式（５）で表される。βは電力の一次エネルギーへの換算値である。
【数２２】
0004605942.tif 000009
ここで、ＧＰは、熱電併給装置の発電量であり、次式（６）で表される。
【数２３】
0004605942.tif 000010
但し、ｅ（ｔ）＜Ｆであれば、Ｅ（ｔ）＝ｅ（ｔ）
ｅ（ｔ）≧Ｆであれば、Ｅ（ｔ）＝Ｆ
上記（５）および（６）式において、ｅ（ｔ）は、予め特定された電力需要の経時的変化を示す関数である。
【００１０】
また、請求項５に係る発明のコージェネレーションシステムの運転方法は、前述のような目的を達成するために、
複数段に設定した発電量で運転して設定発電量の電力と熱とを発生する熱電併給装置と、
前記熱電併給装置で発生した熱を貯める蓄熱タンクと、
所定時間を１周期として、その１周期および次の１周期それぞれ内の熱需要および電力需要それぞれの経時的変化を予め特定する需要変化特定手段と、
不足分の電力を投入可能な買電手段とを備え、
前記１周期内での熱需要分に相当する量の熱を前記熱電併給装置により前記１周期内で発生させて消費する第１の状態、および、負荷電力の多い時間帯で運転して余剰となった熱を次の周期で消費する第２の状態それぞれを想定し、前記１周期を電気負荷に合わせて、複数段に設定した発電量で運転し、その複数段の発電量が変わる時刻を複数段の設定発電量の運転状態それぞれに順次入力し、前記蓄熱タンク内の蓄熱量が０以上になるようにして、全体の一次エネルギーの換算値が最小となる最適運転状態を前記第１および第２の状態の全体から求め、求められた最適運転状態の運転開始時刻によって、前記熱電併給装置を複数段の設定発電量で運転することを特徴としている。
また、請求項６に係る発明のコージェネレーションシステムの運転方法は、前述のような目的を達成するために、
請求項５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、
前記１周期Ｔ内での熱需要分に相当する量の熱を前記熱電併給装置により前記１周期Ｔ内で発生させて消費する第１の状態、および、負荷電力の多い時間帯で運転して余剰となった熱を次の周期で消費する第２の状態それぞれを想定し、前記１周期Ｔを電気負荷に合わせて、複数段に設定した発電量で運転し、その複数段の発電量が変わる時刻をａ1 ，…，ａn-1 （ｎは正の整数）として複数段の設定発電量の運転状態それぞれに順次入力し、前記蓄熱タンク内の蓄熱量の変動値Ｓ’（ｔ）が常に下記条件式（８）を満たすとともに、下記一次エネルギーの換算値ＰＥ１’［式（９）］が最小となる最適運転状態を前記第１および第２の状態の全体から求め、求められた最適運転状態の運転開始時刻ａ1 ，…，ａn-1 によって、前記熱電併給装置を複数段の設定発電量で運転することを特徴としている。
【数２４】
0004605942.tif 000011
ここで、Ｓ’（０）は初期蓄熱量を示し、Ｆ1 、…、Ｆn は各設定発電量を、ｋ1 、…、ｋn は各設定発電量の熱電比をそれぞれ示している。Ｈ1 、Ｈ2 、…、Ｈn-1 は余剰電力を電熱変換手段で熱に変換した変換熱量であり、次式で示される。
【数２５】
0004605942.tif 000012
但し、ｅ（ｔ）＜Ｆk であれば、Ｅk （ｔ）＝ｅ（ｔ）
ｅ（ｔ）≧Ｆk であれば、Ｅk （ｔ）＝Ｆk
ｋは１からｎ−１までの整数である。
Ｅk （ｔ）は、負荷電力が各設定発電量を越える場合は各設定発電量となり、負荷電力が各設定発電量より小さい場合はその負荷電力量となる電力量である。また、ｈ（ｔ）は、予め特定された熱需要の経時的変化を示す関数であり、ｅｘ（ｔ）はシステムからの放熱量である。
ＰＥ１’＝ＧＩ’・α＋ＢＥ’・β……（９）
ここで、ＧＩ’は、各複数段に設定した運転の運転開始時刻ａ1 ，…，ａn-1からの熱電併給装置の運転に要する総燃料供給量であり、次式（１０）で表される。ｎは正の整数であり、ＧＩ’（ｔ）は、複数段の発電に起因して運転される熱電併給装置によって特定される燃料供給量である。αは燃料の一次エネルギーへの換算値である。
【数２６】
0004605942.tif 000013
ＢＥ’は、１周期Ｔとなる所定時間Ｔ内での不足分の電力の投入量であり、次式（１１）で表される。βは電力の一次エネルギーへの換算値である。
【数２７】
0004605942.tif 000014
ここで、ＧＰ’は、熱電併給装置の発電量であり、次式（１２）で表される。
【数２８】
0004605942.tif 000015
但し、ｅ（ｔ）＜Ｆk であれば、Ｅk （ｔ）＝ｅ（ｔ）
ｅ（ｔ）≧Ｆk であれば、Ｅk （ｔ）＝Ｆk
上記（１１）および（１２）式において、ｅ（ｔ）は、予め特定された電力需要の経時的変化を示す関数である。
【００１１】
【作用】
請求項１および請求項２に係る発明のコージェネレーションシステムの運転方法の構成によれば、熱電併給装置を定格発電量で運転して発電し、電力需要が定格発電量よりも小さいときの電力需要を越える余剰の電力を電熱変換手段によって熱に変換し、不足分の電力を買電手段で賄うとともに、変換した熱と熱電併給装置で発生した熱によって熱需要を賄い、かつ、後で必要とする熱を蓄熱タンクに貯めて熱需要に応じることができる。このときに、例えば、１日などの１周期内にとどまらず、翌日の午前分や昼分の熱需要など次の１周期内の熱需要の一部を賄う場合まで想定し、蓄熱タンクに貯めた熱が消費までの間に放熱する分と、不足分の電力を買電手段で賄うことをも考慮して、全体の一次エネルギーへの変換値が最小となるように運転する。
【００１２】
また、請求項３および請求項４に係る発明のコージェネレーションシステムの運転方法の構成によれば、電力需要が定格発電量を越えるときは熱電併給装置を定格発電量で運転して発電し、電力需要が定格発電量よりも小さいときは熱電併給装置を電力需要に追従して運転して発電し、不足分の電力を買電手段で賄うとともに熱電併給装置で発生した熱によって熱需要を賄い、かつ、後で必要とする熱を蓄熱タンクに貯めて熱需要に応じることができる。このときに、例えば、１日などの１周期内にとどまらず、翌日の午前分や昼分の熱需要など次の１周期内の熱需要の一部を賄う場合まで想定し、蓄熱タンクに貯めた熱が消費までの間に放熱する分と、不足分の電力を買電手段で賄うことをも考慮して、全体の一次エネルギーへの変換値が最小となるように運転する。
【００１３】
また、請求項５および請求項６に係る発明のコージェネレーションシステムの運転方法の構成によれば、例えば、１日間など、１周期となる所定時間内において、熱電併給装置を複数段に設定した発電量で運転して発電し、不足分の電力を買電手段で賄うとともに熱電併給装置で発生した熱および電力需要が定格発電量より小さい時の電力需要を越える余剰電力を電熱変換手段により変換される熱とによって熱需要を賄い、かつ、後で必要とする熱を蓄熱タンクに貯めて熱需要に応じることができる。このときに、例えば、１日などの１周期内にとどまらず、翌日の午前分や昼分の熱需要など次の１周期内の熱需要の一部を賄う場合まで想定し、蓄熱タンクに貯めた熱が消費までの間に放熱する分と、不足分の電力を買電手段で賄うことをも考慮して、全体の一次エネルギーへの変換値が最小となるように運転する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例につき、図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、コージェネレーションシステムの第１実施例を示すシステム構成図であり、１は熱電併給装置を、２は蓄熱タンクをそれぞれ示している。
【００１５】
蓄熱タンク２には、その底側から上部にわたって第１のポンプ３を備えた循環配管４が接続されている。循環配管４に熱交換器５が設けられ、熱電併給装置１と熱交換器５とにわたって、第２のポンプ６を備えた熱回収用循環配管７が接続されている。
【００１６】
この構成により、蓄熱タンク２の下部から取り出した水を熱電併給装置１からの熱によって加熱し、その加熱された蓄熱水を蓄熱タンク２に戻して蓄熱するように構成されている。
循環配管４の熱交換器５よりも下流側の箇所に電熱変換手段としての電気ヒータ８が設けられ、熱電併給装置１で発生した電力が余剰の場合に、余剰電力を熱に変換して蓄熱タンク２の下部から取り出した水を加熱し、その加熱された蓄熱水を蓄熱タンク２に蓄えることができるように構成されている。図中９は、給湯用の給湯管を示している。
【００１７】
循環配管４には、熱交換器５と直列になるように出力用循環配管１０が接続されるとともに、その出力用循環配管１０に暖房用熱交換器１１が設けられ、暖房用熱交換器１１に、第３のポンプ１２を備えた暖房用循環配管１３を介して、室内暖房機、床暖房機、浴室乾燥機などのセントラルヒーティング用の暖房装置１４が接続されている。
【００１８】
熱電併給装置１には、発電電力を取り出す電力線１５が接続され、その電力線１５に、照明装置や電気機器などの電気負荷１６が接続されている。また、電力線１５に逆潮流防止用の保護装置１７を介して商用電源線１８が接続され、発電電力で不足するときに商用電源からの電力を投入できるように買電手段１９が構成されている。
【００１９】
また、電力線１５に、スイッチ回路２０を介して電気ヒータ８が接続され、余剰電力の発生時に電気ヒータ８に通電するようになっている。この電気ヒータ８としては、二点鎖線で示すように、熱回収用循環配管７に設けるようにしても良い。図中２１はバックアップ用のガスボイラを示している。
【００２０】
熱電併給装置１およびスイッチ回路２０にはマイクロコンピュータ２２が接続されている。
マイクロコンピュータ２２には学習機能が備えられていて、図２のブロック図に示すように、需要変化特定手段２３と運転時刻入力手段２４と演算手段２５と比較手段２６と運転制御手段２７とが備えられている。
【００２１】
需要変化特定手段２３では、前述した学習機能によって記憶されているデータに基づき、図３および図４のグラフに示すように、１周期Ｔとしての１日間における前述した、照明装置や電気機器駆動のための電力需要ｅ（ｔ）、および、給湯や暖房などの熱需要ｈ（ｔ）の経時的変化を、予め特定できるように構成されている。また、表−１に、上記給湯や暖房などの熱需要ｈ（ｔ）の経時的変化の数値例を示す。なお、図３および図４は、多数の需要家の平均値をとって概略的な変化として示したものである。
【表１】
0004605942.tif 000016
【００２２】
すなわち、前日の需要変化とか、１週間前の同じ曜日の需要変化などが順次記憶され、それらの需要変化に基づいて当日１日間および翌日１日間における熱需要ｈ（ｔ）、および、電力需要ｅ（ｔ）の経時的変化を、予め特定できるようになっているのである。
【００２３】
運転時刻入力手段２４では、１周期Ｔとしての１日間を、例えば、１分間ごとなど、設定時間間隔ごとに分割した運転開始時刻ａを順次入力するようになっている。
【００２４】
演算手段２５では、需要変化特定手段２３からの当日１日間および翌日１日間における熱需要ｈ（ｔ）、および、電力需要ｅ（ｔ）の経時的変化に基づいて、後述する条件式に運転時刻入力手段２４から運転開始時刻ａとそれから導かれる運転終了時刻ｂとを入力することにより、一次エネルギーの換算値を演算するようになっている。
【００２５】
比較手段２６では、演算手段２５から入力される一次エネルギーの換算値を記憶し、その換算値と次に入力される換算値とを比較し、小さいほうの換算値とそのときの運転開始時刻ａおよび運転終了時刻ｂを新たに記憶していき、１日間分の運転開始時刻ａの入力を終了した後に、一次エネルギーの換算値が最小であった運転開始時刻ａおよび運転終了時刻ｂを出力するようになっている。
【００２６】
運転制御手段２７では、比較手段２６からの運転開始時刻ａおよび運転終了時刻ｂに応答して、熱電併給装置１およびスイッチ回路２０に駆動信号を出力し、一次エネルギーの換算値が最小になる状態でコージェネレーションシステムを運転するようになっている。
【００２７】
次に、上記条件式について説明する。
第１実施例では、熱電併給装置１を発電効率が最も高い定格発電量(100％負荷) で運転し、電力需要ｅ（ｔ）が定格発電量よりも小さい余剰電力分を電気ヒータ８によって熱に変換するものとする。ここでの定格発電量としては、１ｋｗを例示する。この定格発電量は、例えば、０．８ｋｗなど、使用する熱電併給装置によって決まるものである。
【００２８】
先ず、１周期Ｔとしての１日間での熱需要分またはその大半に相当する量の熱を熱電併給装置１により１日間で発生させて消費する第１の状態を想定する。１日全体での必要な熱需要ｈ（ｔ）の総量Ａは、下記（１３）式
【数２９】
0004605942.tif 000017
で求められる。また、システム全体として、熱電併給装置１の筐体や蓄熱タンク２や配管からの放熱があり、その放熱量Ｂは時間の関数として下記（１４）式で表すことができ、
【数３０】
0004605942.tif 000018
となる。
【００２９】
これらのことから、熱電併給装置１の運転開始時刻をａ、運転終了時刻をｂと想定して運転した場合に、得られる総熱量は、余剰電力を電気ヒータ８で熱に変換した変換熱量に熱電併給装置１からの熱量を足したものになり、この総熱量が前述した熱需要ｈ（ｔ）の総量Ａと放熱量Ｂとを加算したものと等しくなる必要がある。
【００３０】
余剰電力Ｅは、図５の（ａ）の電力需要の経時的変化のグラフに示すように、電力需要ｅ（ｔ）［ｋｗ］が定格発電量１ｋｗよりも小さい運転時間（ａからｃまで）の分であり、余剰電力Ｅを電気ヒータ８によって熱に変換した変換熱量Ｈは、図５の（ｂ）の熱需要の経時的変化のグラフに示すように、
【数３１】
0004605942.tif 000019
となる。
但し、ｅ（ｔ）＜１であれば、Ｅ（ｔ）＝ｅ（ｔ）
ｅ（ｔ）≧１であれば、Ｅ（ｔ）＝１
ここで、Ｅ（ｔ）は、負荷電力が定格電力を越える場合は定格電力量となり、負荷電力が定格電力より小さい場合はその負荷電力量となる電力量である。
【００３１】
熱電併給装置１からの熱量Ｄは、定格発電量をＦ、熱電比をｋとすれば、
Ｄ＝Ｆ・Ｋ・（ｂ−ａ）
となる。いま、Ｆ＝１、ｋ＝３．２５であるとすれば、図６のグラフに示すように、
Ｄ＝3.25（ｂ−ａ）
となる。
【００３２】
熱需要を主体として常に満たすためには、熱電併給装置１の運転に伴って得られる総熱量（＝熱量Ｄ＋変換熱量Ｈ）が、図７のグラフに示すように、熱需要ｈ（ｔ）の総量Ａ相当分（斜線部分Ａで示す）と放熱量Ｂ相当分（斜線部分Ａの上部分Ｂで示す）とを加算したもの以上になる必要があり、下記（１５）式が成立する。
【数３２】
0004605942.tif 000020
但し、ｅ（ｔ）＜１であれば、Ｅ（ｔ）＝ｅ（ｔ）
ｅ（ｔ）≧１であれば、Ｅ（ｔ）＝１
ここで、Ｅ（ｔ）は、負荷電力が定格電力を越える場合は定格電力量となり、負荷電力が定格電力より小さい場合はその負荷電力量となる電力量である。
【００３３】
放熱量Ｂの関数ｅｘ（ｔ）は、蓄熱タンク２からの放熱量ＳＴ（ｔ）、配管からの放熱量ＰＬ（ｔ）と熱電併給装置１の筐体からの放熱量ＧＥ（ｔ）との総和、すなわち、
ｅｘ（ｔ）＝ＳＴ（ｔ）＋ＰＬ（ｔ）＋ＧＥ（ｔ）……（１６）
で表すことができる。
【００３４】
上記蓄熱タンク２、配管および熱電併給装置１の筐体からの放熱量ＳＴ（ｔ），ＰＬ（ｔ），ＧＥ（ｔ）それぞれは、主としてシステム構築時の規模に比例した熱容量によって決まるものであり、例えば、配管や熱電併給装置１の筐体や蓄熱タンク２を断熱材で覆うような構成を採用すれば、その放熱量を抑えることができるが、断熱材の断熱効果もシステム構築時に予め特定できるものであり、いずれにしても、配管や熱電併給装置１の筐体や蓄熱タンク２からの放熱量は、実験や計算や学習効果などによって予め特定できるものである。
【００３５】
以上のことから、蓄熱タンク２内に蓄えられている蓄熱量Ｓ（ｔ）は、次のように示すことができ、また、コージェネレーションシステムにおいて、熱需要を賄うために、蓄熱量Ｓ（ｔ）が不足しないことが条件になる。すなわち、
【数３３】
0004605942.tif 000021
である。ここで、Ｓ（０）は初期蓄熱量を示し、例えば、当日の運転開始時刻ａ（この第１実施例では、午前１２時頃）までに必要な分を設定するなど、予め特定される電力需要と熱需要とに基づいて適宜設定されるものであり、予め特定できるものである。表−１に基づけば、初期蓄熱量は2,000［×(1/860)kW］である。
【００３６】
前述（１５）式において、熱需要ｈ（ｔ）、電力需要ｅ（ｔ）、ならびに、電力需要ｅ（ｔ）が定格発電量を越える時刻ｃそれぞれは、前述したように需要変化特定手段２３によって予め特定され、また、運転終了時刻ｂは、（１５）式の両辺を等しいとすることにより、運転開始時刻ａに基づいて特定できる。
【００３７】
これらのことから、運転開始時刻ａを想定することにより、運転開始時刻ａから運転終了時刻ｂまでの熱電併給装置１の運転に要する燃料供給量ＧＩを、次式（４）で求めることができる。
【数３４】
0004605942.tif 000022
【００３８】
また、１日間の不足分の電力の投入量ＢＥは、次式（１８）で求めることができる。
【数３５】
0004605942.tif 000023
ここで、ＧＰは、熱電併給装置の発電量であり、次式（６）で表される。
【数３６】
0004605942.tif 000024
但し、ｅ（ｔ）＜Ｆであれば、Ｅ（ｔ）＝ｅ（ｔ）
ｅ（ｔ）≧Ｆであれば、Ｅ（ｔ）＝Ｆ
ここで、Ｅ（ｔ）は、負荷電力が定格電力を越える場合は定格電力量となり、負荷電力が定格電力より小さい場合はその負荷電力量となる電力量である。
上記（１８）式および（６）式において、ｅ（ｔ）は、予め特定された電力需要の経時的変化を示す関数である。
【００３９】
これらの燃料供給量ＧＩ、１日間の不足分の電力の投入量ＢＥおよびシステムからの放熱量の一次エネルギーの換算値ＰＥ１を求めれば、
ＰＥ１＝ＧＩ・α＋ＢＥ・β……（３）
となる。ここで、αは燃料の一次エネルギーへの換算値、βは電力の一次エネルギーへの換算値である。ｅｘ（ｔ）は、前述したように、システムからの放熱量である。
【００４０】
更に、例えば、夕方に多量の電力需要があり、その発電効率が高く、熱電併給装置１の運転時間帯を夕方側にシフトし、蓄えた熱を翌日に消費した方が省エネルギー性を向上できる場合があることに着目し、負荷電力の多い時間帯で熱電併給装置１を運転して、余剰となった熱を次の１周期としての翌日に消費させる第２の状態を想定する。
【００４１】
このように翌日に消費することを前提とする場合には、図８の（ａ）および（ｂ）の熱需要と電力需要の経時的変化のグラフに示すように、翌日の熱需要分の約25％分を翌日に消費するように設定し、その翌日に消費する熱量分をも含めた状態で、熱電併給装置１の運転開始時刻ａと運転終了時刻ｂとを導出することになる。
【００４２】
この翌日に消費する熱量分が次の日の初期蓄熱量Ｓ（０）になる。この翌日に消費する熱量分としては、例えば、当日の運転開始時刻ａと同じ時刻までの分を設定するなど、いずれにしても設定値であって予め特定できるものである。
例えば、熱需要分の25％分を設定するとすれば、
【数３７】
0004605942.tif 000025
となり、予め特定される熱需要と放熱分とによって特定される。
また、当日の運転開始時刻ａと同じ時刻までの分を設定するとすれば、
【数３８】
0004605942.tif 000026
となり、当日の運転開始時刻ａによって自ずと特定される。
【００４３】
これらにより、前述した（１７）式が次の通りに表される。
【数３９】
0004605942.tif 000027
ここで、ｔは、翌日に予定した熱量分を消費しきる時刻を当日（所定周期Ｔ）に加えた時刻である。
例えば、午後５時（１７時）から翌日の午前２時まで運転したとして、表−１に基づけば、初期蓄熱量Ｓ（０）が零であったとすれば、当日の午後５時（１７時）から午後１２時（２４時）までに必要な熱量が24,000×(1/860)kWであるのに対して発生する熱量は７× 2,800×(1/860)kW ＝19,600×(1/860)kW であり、余剰電力分Ｅを電気ヒータ８によって熱に変換した変換熱量Ｈを考慮したとしても4,000 ×(1/860)kW 程度が不足する。また、午前中の熱需要分 2,000×(1/860)kW があり、放熱分を見込んだとして 6,500×(1/860)kW 以上が初期蓄熱量Ｓ（０）として必要である。
【００４４】
したがって、翌日分に消費することを前提とする場合に、前述した（１９）式や（２０）式のようにして翌日に消費する分を適宜設定した状態で、１分ごとに運転開始時刻ａを入力して、前述条件式（１）を満たす一次エネルギーの換算値ＰＥ１を求め，先に求めた当日に消費する場合の最小値と比較し、第１および第２の状態を含めた全体で、一次エネルギーの換算値ＰＥ１が最小値となる運転開始時刻ａおよび運転終了時刻ｂとを導出し、熱電併給装置１を定格運転するのである。
【００４５】
以上のようにして、需要変化特定手段２３によって特定される熱需要ｈ（ｔ）、電力需要ｅ（ｔ）に応じ、上記一次エネルギーの換算値ＰＥ１が最小となるように１日間における熱電併給装置１の運転開始時刻ａと運転終了時刻ｂとを導出し、その時刻でもって熱電併給装置１を定格運転することにより、熱電併給装置１からの熱を捨てずに、省エネルギー性を向上する最適な状態でコージェネレーションシステムを運転できる。
【００４６】
次に、第２実施例について説明する
この第２実施例では、電力需要ｅ（ｔ）が定格発電量１ｋｗよりも小さいところでは、電力需要ｅ（ｔ）に合わせて発電し、定格発電量１ｋｗよりも大きいところでは、定格発電量１ｋｗで発電するように熱電併給装置１を運転する。
【００４７】
この第２実施例では、前述第１実施例のような電気ヒータを用いないものであり、構成的には、図１および図２の電気ヒータ８およびスイッチ回路２０を無くした構成となる。そして、運転開始時刻ａと運転終了時刻ｂとを想定すれば、図９の（ａ）および（ｂ）の熱需要と電力需要の経時的変化のグラフに示すように、熱電併給装置１の運転によって得られる熱量Ｄ’が総熱量となり、下記式（２１）で表される。
【数４０】
0004605942.tif 000028
ここで、ｅ（ｔ）＜１であれば、Ｅ（ｔ）＝ｅ（ｔ）
ｅ（ｔ）≧１であれば、Ｅ（ｔ）＝１
である。また、Ｂ［Ｅ（ｔ）］は、電力量Ｅ（ｔ）における熱電併給装置１の発生熱量であり、Ｂ［１］＝3.25である。
【００４８】
熱需要を主体として常に満たすためには、熱電併給装置１の運転に伴って得られる総熱量（＝熱量Ｄ’）が、熱需要ｈ（ｔ）の総量Ａ’相当分（斜線部分Ａ’で示す）と放熱量Ｂ’相当分（斜線部分Ａ’の上部分Ｂ’で示す）とを加算したもの以上になる必要があり、前述第１実施例［（１５）式］と同様な下記（２２）式が成立する。図面上では、Ｄ’＝Ａ’＋Ｂ’として示している。
【数４１】
0004605942.tif 000029
【００４９】
また、第１実施例と同様に、蓄熱タンク２内に蓄えられている蓄熱量Ｓ（ｔ）は、次のように示すことができ、また、コージェネレーションシステムにおいて、熱需要を賄うために、蓄熱量Ｓ（ｔ）が不足しないことが条件になる。
【００５０】
更に、当日の熱需要分に相当する量の熱の大半を熱電併給装置１により当日に発生させて消費する第１の状態に加えて、負荷電力の多い時間帯で運転して余剰となった熱を翌日に消費する第２の状態を考察する場合、第１実施例と同様にして、前述した（１９）式や（２０）式など、翌日に消費する設定熱量分を予め特定される熱需要と熱電併給装置１によって発生する熱量とによって、初期蓄熱量Ｓ（０）が特定される。
【００５１】
以上のことから、下記条件式（７）が成立する。
【数４２】
0004605942.tif 000030
ここで、ｅ（ｔ）＜１であれば、Ｅ（ｔ）＝ｅ（ｔ）
ｅ（ｔ）≧１であれば、Ｅ（ｔ）＝１
である。また、Ｂ［Ｅ（ｔ）］は、電力量Ｅ（ｔ）における熱電併給装置１の発生熱量であり、この第２実施例においても、Ｂ［１］＝3.25である。Ｓ（０）は初期蓄熱量を示している。
また、ｈ（ｔ）は、予め特定された熱需要の経時的変化を示す関数であり、ｅｘ（ｔ）はシステムからの放熱量である。
【００５２】
これにより、第１実施例と同様に、翌日分に消費することを前提とする場合に、前述した（１９）式や（２０）式のようにして翌日に消費する分を適宜設定した状態で、１分ごとに運転開始時刻ａを入力して、前述条件式（１）を満たす一次エネルギーの換算値ＰＥ１［（３）式］を求め，先に求めた当日に消費する場合の最小値と比較し、第１および第２の状態を含めた全体で、一次エネルギーの換算値ＰＥ１が最小値となる運転開始時刻ａおよび運転終了時刻ｂとを導出し、熱電併給装置１を電力需要に追従させて運転するのである。
すなわち、
ＰＥ１＝ＧＩ・α＋ＢＥ・β……（３）
ここで、ＧＩは運転開始時刻ａから運転終了時刻ｂまでの熱電併給装置の運転に要する燃料供給量であり、次式（４ａ）で表される。αは燃料の一次エネルギーへの換算値である。
【数４３】
0004605942.tif 000031
ここで、ＧＩ（ｔ）は、負荷電力が定格発電量よりも少ない運転において使用する熱電併給装置によって特定される燃料供給量である。
【００５３】
この結果、このように電力需要ｅ（ｔ）が定格発電量１ｋｗよりも小さいところで、電力需要ｅ（ｔ）に合わせて発電するように熱電併給装置１を運転する場合であっても、第１実施例と同じように、需要変化特定手段２３によって特定される熱需要ｈ（ｔ）、電力需要ｅ（ｔ）に応じ、一次エネルギーの換算値ＰＥ１［（３）式］が最小となるように１日間における熱電併給装置１の運転開始時刻ａと運転終了時刻ｂとを導出し、その時刻でもって熱電併給装置１を定格運転することにより、熱電併給装置１からの熱を捨てずに、省エネルギー性を向上する最適な状態でコージェネレーションシステムを運転できる。
【００５４】
上記第１実施例および第２実施例では、１日間を１周期Ｔとして繰り返して運転することになるが、例えば、生産ラインなどで、３日間とか１週間を１周期Ｔとして繰り返して運転する場合などにも適用でき、要するに、熱需要および電力需要それぞれの経時的変化を予め特定できる所定時間を１周期Ｔとして設定すれば良く、１日間の不足分の電力の投入量ＢＥの（１７）式を、下記式（５）に置換し、１周期Ｔを任意に設定可能な所定時間とすれば良い。
【数４４】
0004605942.tif 000032
【００５５】
次に、第３実施例について説明する
この第３実施例では、熱需要ｈ（ｔ）の多少に合わせるように熱電併給装置１を５００ｗと定格発電量１ｋｗとで複数段に設定した発電量で運転するものとする。
【００５６】
この第３実施例において、例えば、午前９時までの午前中のピークに合わせて熱電併給装置１を５００ｗで運転し、午前９時以降の夕方のピークに合わせて熱電併給装置１を定格発電量１ｋｗで運転するとして、５００ｗ運転の運転開始時刻ａ1 と、定格発電量１ｋｗ運転への切り換え、すなわち、定格発電量１ｋｗ運転の運転開始時刻ａ2 と、その運転終了時刻ａ3 を想定すれば、図１０のグラフに示すように、熱電併給装置１の運転によって得られる熱量Ｄ１とＤ２と余剰電力分Ｅを電気ヒータ８によって熱に変換した変換熱量Ｈとの和が総熱量Ｄとなり、下記式（２３）で表される。
【数４５】
0004605942.tif 000033
ここで、ｅ（ｔ）＜１であれば、Ｅ（ｔ）＝ｅ（ｔ）
ｅ（ｔ）≧１であれば、Ｅ（ｔ）＝１
である。また、Ｔ1 は、５００ｗ運転の運転開始時刻ａ1 から時刻ａ2 までの運転時間であり、Ｔ2 は１ｋｗ運転の運転開始時刻ａ2 から運転終了時刻ａ3 までの運転時間である。ｋ1 は５００ｗ運転時の熱電比を示し、ｋ2 は１ｋｗ運転時の熱電比を示している。
【００５７】
熱需要を主体として常に満たすためには、熱電併給装置１の運転に伴って得られる総熱量（＝熱量Ｄ＝Ｄ１＋Ｄ２＋Ｈ）が、図１０のグラフに示すように、熱需要ｈ（ｔ）の総量Ａ相当分（斜線部分Ａ１＋Ａ２）と放熱量Ｂ相当分（斜線部分の上部分Ｂ１＋Ｂ２）とを加算したもの以上になる必要があり、前述第１実施例［（１５）式］と同様な下記（２４）式が成立する。
【数４６】
0004605942.tif 000034
【００５８】
また、第１実施例と同様に、蓄熱タンク２内に蓄えられている蓄熱量Ｓ’（ｔ）は、次のように示すことができ、また、コージェネレーションシステムにおいて、熱需要を賄うために、蓄熱量Ｓ’（ｔ）が不足しないことが条件になる。
【００５９】
更に、当日の熱需要分に相当する量の熱の大半を熱電併給装置１により当日に発生させて消費する第１の状態に加えて、負荷電力の多い時間帯で運転して余剰となった熱を翌日に消費する第２の状態を考察する場合、第１実施例と同様にして、前述した（１９）式や（２０）式など、翌日に消費する設定熱量分を予め特定される熱需要と熱電併給装置１によって発生する熱量とによって、初期蓄熱量Ｓ’（０）が特定される。
【００６０】
以上のことから、下記条件式（２５）が成立する。
【数４７】
0004605942.tif 000035
ここで、Ｆ1 、Ｆ2 は各設定発電量を、ｋ1 、ｋ2 は各設定発電量の熱電比をそれぞれ示している。Ｈ2 は余剰電力を電熱変換手段で熱に変換した変換熱量であり、次式で示される。この第３実施例では、Ｆ1 ＝５００ｗ、Ｆ2 ＝１ｋｗである。
【数４８】
0004605942.tif 000036
また、ｈ（ｔ）は、予め特定された熱需要の経時的変化を示す関数であり、ｅｘ（ｔ）はシステムからの放熱量である。Ｆ2 ＝１である。
【００６１】
（２４）式は、前述した第１実施例と同じように特定できるものであり、５００ｗ運転および定格発電量１ｋｗ運転それぞれの運転開始時刻ａ１，ａ２を想定することにより、複数段に設定した発電量での熱電併給装置の運転に要する燃料供給量ＧＩ’を、次式（２６）で求めることができる。
【数４９】
0004605942.tif 000037
【００６２】
また、１日間の不足分の電力の投入量ＢＥ’は、次式（２７）で求めることができる。
【数５０】
0004605942.tif 000038
ここで、ＧＰ’は、熱電併給装置の発電量であり、次式（２８）で表される。
【数５１】
0004605942.tif 000039
５００Ｗ運転状態では電力需要ｅ（ｔ）よりも小さいためにＥ1 （ｔ）＝Ｆ1 ＝５００ｗ、１ｋｗ運転状態では電力需要ｅ（ｔ）よりも小さい部分がＥ2 （ｔ）＝Ｆ2 ＝１ｋｗであり、電力需要ｅ（ｔ）よりも大きい部分はＥ2 （ｔ）＝ｅ（ｔ）である。
上記（２７）および（２８）式において、ｅ（ｔ）は、予め特定された電力需要の経時的変化を示す関数である。
【００６３】
これらの燃料供給量ＧＩ’、１日間の不足分の電力の投入量ＢＥ’およびシステムからの放熱量の一次エネルギーの換算値ＰＥ１’を求めれば、
ＰＥ１’＝ＧＩ’・α＋ＢＥ’・β……（９）
となる。ここで、αは燃料の一次エネルギーへの換算値、βは電力の一次エネルギーへの換算値である。
【００６４】
以上のようにして、需要変化特定手段２３によって特定される熱需要ｈ（ｔ）、電力需要ｅ（ｔ）に応じ、上記一次エネルギーの換算値ＰＥ１’が最小となるように、１日間における５００ｗ運転および定格発電量１ｋｗ運転それぞれの運転開始時刻ａ1 ，ａ2 、ならびに、運転終了時刻ａ2 ，ａ3 を導出し、それらの時刻でもって熱電併給装置１を運転することにより、熱電併給装置１からの熱を捨てずに、省エネルギー性を向上する最適な状態でコージェネレーションシステムを運転できる。
【００６５】
上記第３実施例では、１日間を１周期として繰り返して運転することになるが、例えば、１週間を１周期として繰り返して運転する場合などにも適用でき、要するに、熱需要および電力需要それぞれの経時的変化を予め特定できる所定時間を１周期として設定すれば良く、１日間の不足分の電力の投入量ＢＥ’の（２７）式を、下記式（１１）に置換し、Ｔを任意に設定可能な所定時間とすれば良い。
【数５２】
0004605942.tif 000040
この第３実施例における複数段の発電量の設定の仕方としては、各設定発電量の中間を電力需要に追随させる状態にする形態、あるいは、発電量が電力需要を越えない状態で電力需要に極力近づける形態のいずれでも良い。前者の場合、余剰電力分を電気ヒータで熱に変換すれば良い。
【００６６】
また、上記第３実施例では、５００ｗ運転および定格発電量１ｋｗ運転の２種類のステップ運転を行うようにしているが、本発明としては、例えば、７００ｗ運転および定格発電量１ｋｗ運転の２段に設定した発電量の運転を行うとか、５００ｗ運転、７００ｗ運転および定格発電量１ｋｗ運転などの３段以上に設定した発電量の運転を行うようにしても良く、その場合、複数の発電量が変わる時期ａ1 ，…，ａn-1 に基づき、前述条件式（２５）式を下記式（８）に置換するとともに、（２６）式を下記式（１０）に、そして、（２８）式を下記式（１２）にそれぞれ置換すれば良い。ｎは正の整数である。
【数５３】
0004605942.tif 000041
ここで、Ｓ’（０）は初期蓄熱量を示し、Ｆ1 、…、Ｆn は各設定発電量を、ｋ1 、…、ｋn は各設定発電量の熱電比をそれぞれ示している。Ｈ1 、Ｈ2 、…、Ｈn-1 は余剰電力を電熱変換手段で熱に変換した変換熱量であり、次式で示される。
【数５４】
0004605942.tif 000042
但し、ｅ（ｔ）＜Ｆk であれば、Ｅk （ｔ）＝ｅ（ｔ）
ｅ（ｔ）≧Ｆk であれば、Ｅk （ｔ）＝Ｆk 
ｋは１からｎ−１までの整数である。
Ｅk （ｔ）は、負荷電力が定格電力を越える場合は定格電力量となり、負荷電力が定格電力より小さい場合はその負荷電力量となる電力量である。また、ｈ（ｔ）は、予め特定された熱需要の経時的変化を示す関数であり、ｅｘ（ｔ）はシステムからの放熱量である。
ＰＥ１’＝ＧＩ’・α＋ＢＥ’・β……（９）
【数５５】
0004605942.tif 000043
【数５６】
0004605942.tif 000044
但し、ｅ（ｔ）＜Ｆk であれば、Ｅk （ｔ）＝ｅ（ｔ）
ｅ（ｔ）≧Ｆk であれば、Ｅk （ｔ）＝Ｆk 
【００６７】
次に、上記第３実施例のシュミレーションテストの一例について説明する。
１日の電気需要を１５ｋｗ、１日の熱需要を３２．５ｋｗとし、５００ｗ運転の時間を１時間、２時間、３時間、４時間、５時間と変化させるとともに、放熱率を０％、１％、３％、５％、１０％に想定して、熱需要＝排熱となるように定格発電量１ｋｗの運転と組み合わせた。
その結果、図１１のデータシートに示す計算結果が得られた。
【００６８】
今、１周期Ｔ内での熱需要分に相当する量の熱を前記熱電併給装置１により前記１周期Ｔ内で発生させて消費する第１の状態として、放熱率が３％で５００ｗ運転の時間を５時間にした場合（Ｍで示す）と、１周期Ｔ内の負荷電力の多い時間帯で熱電併給装置１を運転して余剰となった熱を次の周期で消費する第２の状態として、放熱率が１０％で５００ｗ運転の時間を３時間にした場合（Ｌで示す）とで比較すれば、後者の場合の方が、放熱率が高いにもかかわらず、一次エネルギーとしては小さくできている。
【００６９】
このように、運転時刻の設定と、熱電併給装置１を運転すべき発電量の設定とを変えることによって、放熱率が高くても一次エネルギーを小さくできる場合が多々あり、上述のように運転時刻を求めることで省エネルギーを図ることができるものであり、本発明が極めて有用であることが明らかである。
【００７０】
本発明は、家庭用や製造工場や商用ビルなどの各種の用途のコージェネレーションシステムに適用できる。
【００７１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１および請求項２に係る発明のコージェネレーションシステムの運転方法によれば、電力需要が定格発電量よりも小さいときの電力需要を越える余剰の電力を電熱変換手段によって熱に変換し、熱電併給装置を定格発電量で運転して発電するから、定格発電量よりも小さい発電量で運転する場合に比べて見掛け上の発電効率を高くできる。
しかも、例えば、１日などの１周期内にとどまらず、翌日の午前分の熱需要など次の１周期内の熱需要の一部を賄う場合まで想定し、蓄熱タンクに貯めた熱が消費までの間に放熱する分と、不足分の電力を買電手段で賄うことをも考慮して、全体の一次エネルギーへの変換値が最小となるように運転するから、放熱ロスのより少ない状態を選択して熱電併給装置を運転でき、省エネルギー性を向上できる。
【００７２】
また、請求項３および請求項４に係る発明のコージェネレーションシステムの運転方法によれば、電力需要が定格発電量を越えるときは熱電併給装置を定格発電量で運転して発電するから発電効率を高くでき、また、電力需要が定格発電量よりも小さいときは熱電併給装置を電力需要に追従して運転して発電し、余剰電力を発生させないようにするから、常時定格運転するよりも効率を向上できるとともに熱に変換するための構成を不用にできる。
しかも、例えば、１日などの１周期内にとどまらず、翌日の午前分の熱需要など次の１周期内の熱需要の一部を賄う場合まで想定し、蓄熱タンクに貯めた熱が消費までの間に放熱する分と、不足分の電力を買電手段で賄うことをも考慮して、全体の一次エネルギーへの変換値が最小となるように運転するから、発電効率を極力高くできるとともに放熱ロスを極力少なくできる状態を選択して熱電併給装置を運転でき、省エネルギー性を向上できる。
【００７３】
また、請求項５および請求項６に係る発明のコージェネレーションシステムの運転方法によれば、熱電併給装置を複数段に設定した発電量で運転するから、常時一定出力よりも余剰電力が少なく効率良い運転ができる。
しかも、例えば、１日などの１周期内にとどまらず、翌日の午前分の熱需要など次の１周期内の熱需要の一部を賄う場合まで想定し、蓄熱タンクに貯めた熱が消費までの間に放熱する分と、不足分の電力を買電手段で賄うことをも考慮して、全体の一次エネルギーへの変換値が最小となるように運転するから、発電効率を極力高くできるとともに放熱ロスを極力少なくできる状態を選択して熱電併給装置を運転でき、省エネルギー性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るコージェネレーションシステムを示すシステム構成図である。
【図２】ブロック図である。
【図３】第１実施例の説明に供する電力需要の経時的変化を示すグラフである。
【図４】第１実施例の説明に供する熱需要の経時的変化を示すグラフである。
【図５】第１実施例の説明に供する電力需要と熱需要と発生熱量との相関を示すグラフである。
【図６】第１実施例の説明に供する熱需要と発生熱量との相関を示すグラフである。
【図７】第１実施例の説明に供する熱需要と発生熱量との相関を示すグラフである。
【図８】第１実施例の説明に供する電力需要と熱需要と発生熱量との相関を示すグラフである。
【図９】第２実施例の説明に供する電力需要と熱需要と発生熱量との相関を示すグラフである。
【図１０】第３実施例の説明に供する電力需要と熱需要と発生熱量との相関を示すグラフである。
【図１１】第３実施例のシュミレーションの実験結果を示すデータシートである。
【符号の説明】
１…熱電併給装置
２…蓄熱タンク
８…電熱変換手段としての電気ヒータ
１９…買電手段
２３…需要変化特定手段
【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】
0004605942.tif 000066
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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