(57)【要約】【課題】コージェネレーション装置の起動時又は停止時のエネルギー損失を含めてコージェネレーション・システム全体の省エネルギー性を最大とする出力制御技術を提供する。【解決手段】省エネ量、又は省エネ度を記憶する発電計画記憶手段３４と、発電計画策定期間内における連続する時間帯区間のうちで、その時間帯区間における省エネ量又は省エネ度の総和が、コージェネレーション装置を同時間帯区間で停止した場合の省エネ量又は省エネ度の総和よりも小さい場合には連続する時間帯区間においてコージェネレーション装置を停止させることを決定する停止区間決定手段３５を備えた。【選択図】          図２
2005009781.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電により電力を出力するとともに発電に伴い生じる熱量を出力するコージェネレーション装置と、
前記コージェネレーション装置が出力する電力を消費する電力負荷と、
前記コージェネレーション装置が出力する熱量を蓄熱する蓄熱装置と、
前記コージェネレーション装置が出力する熱量又は前記蓄熱装置に蓄熱された熱量を消費する熱負荷と、
を備えたコージェネレーション・システムにおいて、前記コージェネレーション装置の出力制御を行う出力制御装置であって、
発電計画策定期間内の各時間帯において予定された前記コージェネレーション装置の発電量、及び、前記各時間帯の発電量に対して前記コージェネレーション装置が出力する電気及び熱のうち、前記電力負荷及び前記熱負荷で利用可能な電力量及び熱量である有効消費エネルギーを前記有効消費エネルギーを商用電源又は通常の給湯器により賄った場合に必要となる一次消費エネルギーから差し引いた値である省エネ量、又は前記省エネ量を前記一次エネルギーで割った値である省エネ度、若しくはこれらに類似の省エネ指数（以下、「省エネ量等」という。）を記憶する発電計画記憶手段と、
前記発電計画策定期間内における連続する時間帯区間のうちで、その時間帯区間における前記省エネ量等の総和が、前記コージェネレーション装置を同時間帯区間で停止した場合の前記省エネ量等の総和よりも小さい場合には前記連続する時間帯区間において前記コージェネレーション装置を停止させることを決定する停止区間決定手段
を備えていることを特徴とする出力制御装置。
【請求項２】
前記停止区間決定手段は、
前記発電計画策定期間内における時間帯区間のうちで、その時間帯区間における前記省エネ量等の総和が最小となる時間帯区間である最低省エネ区間を選択するとともに、前記最低省エネ区間における前記省エネ量等の総和を算出する最低省エネ区間選択手段と、
前記最低省エネ区間における前記省エネ量等の総和と前記コージェネレーション装置を前記最低省エネ区間で停止した場合の前記省エネ量等の総和とを比較して、前者が後者よりも小さい場合には前記最低省エネ区間において前記コージェネレーション装置を停止させることを決定する停止判定手段と、
を備えていることを特徴とする請求項１記載の出力制御装置。
【請求項３】
発電により電力を出力するとともに発電に伴い生じる熱量を出力するコージェネレーション装置と、
前記コージェネレーション装置が出力する電力を消費する電力負荷と、
前記コージェネレーション装置が出力する熱量を蓄熱する蓄熱装置と、
前記コージェネレーション装置が出力する熱量又は前記蓄熱装置に蓄熱された熱量を消費する熱負荷と、
発電計画策定期間内の各時間帯において予定された前記コージェネレーション装置の発電量、及び、前記各時間帯の発電量に対して前記コージェネレーション装置が出力する電気及び熱のうち、前記電力負荷及び前記熱負荷で利用可能な電力量及び熱量である有効消費エネルギーを前記有効消費エネルギーを商用電源又は通常の給湯器により賄った場合に必要となる一次消費エネルギーから差し引いた値である省エネ量、又は前記省エネ量を前記一次エネルギーで割った値である省エネ度、若しくはこれらに類似の省エネ指数（以下、「省エネ量等」という。）を記憶する発電計画記憶手段と、
を備えたコージェネレーション・システムにおいて、前記コージェネレーション装置の出力制御を行う出力制御方法であって、
前記発電計画策定期間内における連続する時間帯区間のうちで、その時間帯区間における前記省エネ量等の総和が、前記コージェネレーション装置を同時間帯区間で停止した場合の前記省エネ量等の総和よりも小さい場合には前記連続する時間帯区間において前記コージェネレーション装置を停止させることを決定することを特徴とする出力制御方法。
【請求項４】
前記発電計画策定期間内における時間帯区間のうちで、その時間帯区間における前記省エネ量等の総和が最小となる時間帯区間である最低省エネ区間を選択するとともに、前記最低省エネ区間における前記省エネ量等の総和を算出し、
前記最低省エネ区間における前記省エネ量等の総和と前記コージェネレーション装置を前記最低省エネ区間で停止した場合の前記省エネ量等の総和とを比較して、前者が後者よりも小さい場合には前記最低省エネ区間において前記コージェネレーション装置を停止させることを決定することを特徴とする請求項３記載の出力制御方法。
【請求項５】
発電により電気を出力するとともに発電に伴う排熱を出力するコージェネレーション装置と、
前記コージェネレーション装置が出力する電力を消費する電力負荷と、
前記コージェネレーション装置が出力する排熱を蓄熱する蓄熱装置と、
前記コージェネレーション装置が出力する排熱又は前記蓄熱装置に蓄熱された排熱を消費する熱負荷と、
前記コージェネレーション装置の制御を行うコンピュータと、
を備えたコージェネレーション・システムにおいて、
前記コンピュータに読み込んで実行することにより前記コンピュータを請求項１又は２記載の出力制御装置として動作させることを特徴とするコージェネレーション・システムの出力制御プログラム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コージェネレーション装置が出力する電力及び熱を電力負荷、暖房負荷、及び給湯負荷で消費するコージェネレーション・システムにおいて、省エネ性を高めるようにコージェネレーション装置の出力制御を行う出力制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、クリーンなエネルギー供給システムとしてコージェネレーション・システムが注目されてきている。コージェネレーション・システムとは、電気と同時に有効に利用できる熱を発生し、エネルギーを多段的に活用する省エネルギーシステムをいう。
【０００３】
現在のところ、一般家庭用のコージェネレーション・システムとしては、ガスエンジン・コージェネレーション・システムや燃料電池コージェネレーション・システム等が開発されており、一部は既に実用化されている。ガスエンジン・コージェネレーション・システムとは、コージェネレーション装置であるガスエンジン発電ユニットと排熱利用給湯暖房ユニットとから構成されたコージェネレーション・システムであり、電気を発電するガスエンジンから排出される排熱を排熱利用給湯暖房ユニットの主要な熱源とするものである。燃料電池コージェネレーション・システムとは、各家庭に供給されている都市ガスから燃料処理装置で水素を作り、この水素を使ってコージェネレーション装置である燃料電池で発電するとともに、発電等の際に発生する排熱を回収し、給湯や暖房に使用するものである。現在、燃料電池としては個体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）が開発されており、９０℃以下の低温で発電することが可能である。
【０００４】
このようなコージェネレーション・システムにおいては、いかにして省エネルギー性を高めるかが重要な課題である。コージェネレーション装置は、エネルギーを電力と熱量という形態で出力する。そして、この電力と熱量との出力量は、コージェネレーション装置で消費されるエネルギー量により一意的に定まるものであるため、出力電力と出力熱量を独立に調節することはできない。そのため、ある時間帯における電力需要と熱需要とのバランスがコージェネレーション装置の出力電力及び出力熱量のバランスと一致しない場合、余分な熱量は蓄熱することにより調整がされる。しかしながら、蓄熱量が過剰となると、その熱量は有効利用されないこととなる。そこで、コージェネレーション・システムの省エネルギー性を最大とするためのコージェネレーション装置の出力制御技術が必要とされる。
【０００５】
従来のコージェネレーション装置の出力制御技術としては、例えば、特許文献１に記載のものが知られている。特許文献１に記載のコージェネレーション・システムは、コージェネレーション装置、配電手段、配熱手段、計測手段、制御装置、記憶手段を有する。コージェネレーション装置は、電力と熱とを出力する。そして、この電力は配電手段が発電所からの受電電力と合わせて施設に供給する。また、熱は、配熱手段が蓄熱した後に前記施設に供給する。計測手段は、施設に供給された電力及び熱を計測し、過去の施設の電力負荷実績及び熱負荷実績としてハードディスク等の記憶手段に記憶する。
【０００６】
このような、コージェネレーション・システムにおいて、まず、記憶手段に記憶された、過去の施設の電力負荷実績及び熱負荷実績から、運転計画の計画対象時期における施設の予測電力負荷及び予測熱負荷を予測する。次に、予測電力負荷に対してコージェネレーション装置の電主運転を行った場合の前記コージェネレーション装置の熱出力を導出する。ここで、「電主運転」とは、予測電力負荷において電力負荷がコージェネレーションの定格運転時の電力出力よりも充分大きい場合には定格運転を行い、それ以外の場合には常に電力出力が電力負荷よりも一定量小さくなる電力追従運転を行う運転方法をいう。
【０００７】
そして、予測熱負荷の計画対象時期における積算値である予測積算熱負荷と、熱出力の運転時間帯における積算値である積算熱出力とを比較して、計画対象時期においてコージェネレーション装置の電主運転を行う運転時間帯を決定する。すなわち、計画対象時期において、予測積算熱負荷と積算熱出力とが同等となるように、運転制御手段がコージェネレーション装置の電主運転を行う運転時間帯を決定する。
【０００８】
このようにしてコージェネレーション装置を電主運転することで、常に一定以上の電力を電力供給業者から受電するように電力出力が制御され、電力系統への逆潮流が防止される。それと同時に、コージェネレーション装置から出力された熱をできるだけ無駄無く施設で消費することができ、省エネルギー性や経済性を向上させることができる。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００３−６１２４５号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のコージェネレーション装置の運転方法においては、運転計画の計画対象時期において予測積算熱負荷と積算熱出力とが同等となるように、コージェネレーション装置の停止及び起動を行う必要がある。
【００１１】
しかしながら、通常、コージェネレーション装置の停止時及び起動時には、停止及び起動動作に使用する余分なエネルギーが必要とされる。すなわち、例えば、燃料電池（Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）の場合、天然ガスを改質器により水素と二酸化炭素に分解し、取り出された水素を酸素（空気）と反応させることによって発電が行われる。この改質器は、触媒を使用して天然ガスの分解反応を促進させるものであるが、触媒が充分に加熱され温度が安定するまでには比較的長い時間がかかる。従ってこの間は燃料電池の発電を行うことができず、エネルギーを消費するだけの運転となる。また、発電の停止後は、改質器の触媒の温度を冷却する必要があるが、この冷却のために冷媒を循環させる冷却ポンプを一定期間運転する必要がある。従って、この間はエネルギーを消費するだけの運転となる。
【００１２】
このように、コージェネレーション装置の停止時及び起動時には、コージェネレーション装置はエネルギー負荷となる。従って、短時間だけコージェネレーション装置を停止したり、コージェネレーション装置の運転と停止を頻繁に繰り返すと、かえって省エネルギー性を悪化させる原因となる。
【００１３】
一方、従来のコージェネレーション装置の運転方法においては、このようなコージェネレーション装置の起動時又は停止時のエネルギー損失が考慮されていないため、必ずしも省エネルギー性を高める結果が得られるとは限らないという問題がある。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、コージェネレーション装置の起動時又は停止時のエネルギー損失を含めてコージェネレーション・システム全体の省エネルギー性を最大とすることが可能なコージェネレーション・システムの出力制御技術を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るコージェネレーション・システムの出力制御装置の第１の構成は、発電により電力を出力するとともに発電に伴い生じる熱量を出力するコージェネレーション装置と、前記コージェネレーション装置が出力する電力を消費する電力負荷と、前記コージェネレーション装置が出力する熱量を蓄熱する蓄熱装置と、前記コージェネレーション装置が出力する熱量又は前記蓄熱装置に蓄熱された熱量を消費する熱負荷と、を備えたコージェネレーション・システムにおいて、前記コージェネレーション装置の出力制御を行う出力制御装置であって、発電計画策定期間内の各時間帯において予定された前記コージェネレーション装置の発電量、及び、前記各時間帯の発電量に対して前記コージェネレーション装置が出力する電気及び熱のうち、前記電力負荷及び前記熱負荷で利用可能な電力量及び熱量である有効消費エネルギーを前記有効消費エネルギーを商用電源又は通常の給湯器により賄った場合に必要となる一次消費エネルギーから差し引いた値である省エネ量、又は前記省エネ量を前記一次エネルギーで割った値である省エネ度、若しくはこれらに類似の省エネ指数（以下、「省エネ量等」という。）を記憶する発電計画記憶手段と、前記発電計画策定期間内における連続する時間帯区間のうちで、その時間帯区間における前記省エネ量等の総和が、前記コージェネレーション装置を同時間帯区間で停止した場合の前記省エネ量等の総和よりも小さい場合には前記連続する時間帯区間において前記コージェネレーション装置を停止させることを決定する停止区間決定手段を備えていることを特徴とする。
【００１６】
この構成により、発電計画策定期間内の連続する時間帯区間において、コージェネレーション装置を連続運転するよりも停止させた方が省エネ量等の観点から有利な場合に、停止区間決定手段はコージェネレーション装置を停止させるように決定する。従って、コージェネレーション・システム全体の省エネルギー性を向上させることが可能となる。
【００１７】
ここで、「蓄熱装置」としては、成層式貯湯槽、相変化を利用した潜熱式蓄熱槽等が使用される。「熱負荷」には、給湯装置などによる給湯負荷や暖房器等による暖房負荷などが含まれる。「発電計画策定期間」とは、コージェネレーション装置の発電量の計画を策定する期間をいい、通常は１日とされるが、これに限るものではない。
【００１８】
本発明に係るコージェネレーション・システムの出力制御装置の第２の構成は、前記第１の構成において、前記停止区間決定手段は、前記発電計画策定期間内における時間帯区間のうちで、その時間帯区間における前記省エネ量等の総和が最小となる時間帯区間である最低省エネ区間を選択するとともに、前記最低省エネ区間における前記省エネ量等の総和を選択する最低省エネ区間選択手段と、前記最低省エネ区間における前記省エネ量等の総和と前記コージェネレーション装置を前記最低省エネ区間で停止した場合の前記省エネ量等の総和とを比較して、前者が後者よりも小さい場合には前記最低省エネ区間において前記コージェネレーション装置を停止させることを決定する停止判定手段と、を備えていることを特徴とする。
【００１９】
この構成により、停止判定手段は、発電計画策定期間内における時間帯区間のうちで省エネ量等の総和が最小となる時間帯区間について、コージェネレーション装置を連続運転するよりも停止させた方が省エネ量等の観点から有利な場合に、停止区間決定手段はコージェネレーション装置を停止させるように決定する。そのため、コージェネレーション装置の停止・起動が頻発することが防止される。従って、停止・起動の頻発によるコージェネレーション装置の故障を回避することが可能となる。
【００２０】
また、発電計画策定期間を１日（２４時間）に設定すると、コージェネレーション装置の連続運転か、ＤＳＳ（Ｄａｉｌｙ  Ｓｔａｒｔ  ａｎｄ  Ｓｔｏｐ）運転かの何れを実行する方が有利であるかを、省エネ量等の予測量に基づいて合理的に決定することが可能となる。
【００２１】
本発明に係るコージェネレーション・システムの出力制御方法の第１の構成は、発電により電力を出力するとともに発電に伴い生じる熱量を出力するコージェネレーション装置と、前記コージェネレーション装置が出力する電力を消費する電力負荷と、前記コージェネレーション装置が出力する熱量を蓄熱する蓄熱装置と、前記コージェネレーション装置が出力する熱量又は前記蓄熱装置に蓄熱された熱量を消費する熱負荷と、発電計画策定期間内の各時間帯において予定された前記コージェネレーション装置の発電量、及び、前記各時間帯の発電量に対して前記コージェネレーション装置が出力する電気及び熱のうち、前記電力負荷及び前記熱負荷で利用可能な電力量及び熱量である有効消費エネルギーを前記有効消費エネルギーを商用電源又は通常の給湯器により賄った場合に必要となる一次消費エネルギーから差し引いた値である省エネ量、又は前記省エネ量を前記一次エネルギーで割った値である省エネ度、若しくはこれらに類似の省エネ指数（以下、「省エネ量等」という。）を記憶する発電計画記憶手段と、を備えたコージェネレーション・システムにおいて、前記コージェネレーション装置の出力制御を行う出力制御方法であって、前記発電計画策定期間内における連続する時間帯区間のうちで、その時間帯区間における前記省エネ量等の総和が、前記コージェネレーション装置を同時間帯区間で停止した場合の前記省エネ量等の総和よりも小さい場合には前記連続する時間帯区間において前記コージェネレーション装置を停止させることを決定することを特徴とする。
【００２２】
本発明に係るコージェネレーション・システムの出力制御方法の第２の構成は、前記第１の構成において、前記発電計画策定期間内における時間帯区間のうちで、その時間帯区間における前記省エネ量等の総和が最小となる時間帯区間である最低省エネ区間及び前記最低省エネ区間における前記省エネ量等の総和を選択し、前記最低省エネ区間における前記省エネ量等の総和と前記コージェネレーション装置を前記最低省エネ区間で停止した場合の前記省エネ量等の総和とを比較して、前者が後者よりも小さい場合には前記最低省エネ区間において前記コージェネレーション装置を停止させることを決定することを特徴とする。
【００２３】
本発明に係るコージェネレーション・システムの出力制御プログラムは、発電により電気を出力するとともに発電に伴う排熱を出力するコージェネレーション装置と、前記コージェネレーション装置が出力する電力を消費する電力負荷と、前記コージェネレーション装置が出力する排熱を蓄熱する蓄熱装置と、前記コージェネレーション装置が出力する排熱又は前記蓄熱装置に蓄熱された排熱を消費する熱負荷と、前記コージェネレーション装置の制御を行うコンピュータと、を備えたコージェネレーション・システムにおいて、前記コンピュータに読み込んで実行することにより前記コンピュータを請求項１又は２記載の出力制御装置として動作させることを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１に係るコージェネレーション・システムの構成図である。本実施形態に係るコージェネレーション・システム１は、主要な構成として、燃料電池（以下、「ＦＣ」という。）２、インバータ３、排熱熱交換器４、余剰電力ヒータ５、ＦＣ用コントローラ６、暖房熱交換器７、成層式貯湯槽８、補助熱源９、給湯用コントローラ１０を有している。尚、本実施形態においては熱負荷として、暖房負荷及び給湯負荷を有している。
【００２５】
ＦＣ２には、燃料である天然ガスと空気とが供給される。ＦＣ２は、供給された天然ガスから水素を創り出し水素及び空気から発電を行うとともに、発電時に発生する熱（以下、「排熱」という。）を出力する。インバータ３には、ＦＣ２から出力される電気と商用電源から送電される電気とが入力される。そして、インバータ３は、電力負荷で要求される電力に応じて、ＦＣ２から出力される電力を施設内の電気機器等の電力負荷に供給する。尚、電力負荷で要求される電力に対してＦＣ２から出力される電力が不足している場合には、インバータ３は、不足分に対しては商用電源から供給される電力で賄う。
【００２６】
ＦＣ２において発電時に発生する排熱は、ＦＣ２の冷却水により取り出される。この冷却水により取り出された排熱は、排熱熱交換器４において、蓄熱装置である成層式貯湯槽８から供給される循環水と熱交換される。この循環水は、循環ポンプ１１により成層式貯湯槽８の下部から取り出され、排熱熱交換器４に送られる。排熱熱交換器４において排熱が供給された循環水は、余剰電力ヒータ５及び暖房熱交換器７を経て成層式貯湯槽８の上部に戻される。
【００２７】
ＦＣ用コントローラ６は、電流センサ１２により電力負荷に供給される電流を検出するとともに、電流センサ１３により商用電源から供給される電流を検出する。これにより、ＦＣ用コントローラ６は、電力負荷において消費された電力及び商用電源から供給された電力を検出することができる。
【００２８】
ＦＣ２が出力する電力が電力負荷から要求される電力よりも大きい場合、ＦＣ２から商用電源側に電力の逆潮流が生じる。ＦＣ用コントローラ６は、このような電力の逆潮流を防ぐため、電流センサ１３で検出される電流値が所定の閾値以上となった場合には、インバータ３の出力する電力の一部を電熱変換装置である余剰電力ヒータ５に回す。そして、余剰電力ヒータ５において余剰な電力を消費させ、ＦＣ２から商用電源側への電力の逆潮流を防止する。余剰電力ヒータ５は、供給される電力を熱に変換し、電熱変換により発生する熱を、循環水に供給する。これにより、余剰電力は循環水により熱として回収される。
【００２９】
暖房熱交換器７は、循環水に供給された熱を、暖房機器等の暖房負荷（図示せず。）に循環される熱媒体に熱交換する。暖房負荷の熱媒体は、熱媒循環ポンプ１４により暖房負荷から暖房熱交換器７に送られた後、補助熱源９を通って再び暖房負荷に戻される。
【００３０】
成層式貯湯槽８は、上部から下部にかけて高温から低温となるような温度勾配を有する温湯が貯湯されている。台所、風呂等の給湯負荷へ温湯を供給する場合には、成層式貯湯槽８の上層の温湯が、補助熱源９を介して送水される。そして、給湯による成層式貯湯槽８内の水の減少分は、成層式貯湯槽８の底部からの給水により補われる。この給水量は、流量センサ１５により検出される。また、給水時の水の温度は、温度センサ１６により検出される。
【００３１】
成層式貯湯槽８には、垂直方向に複数の温度センサ１７ａ〜１７ｅが設けられている。この温度センサ１７ａ〜１７ｅによって、成層式貯湯槽８内に貯湯された温湯の各層の温度を検出することができる。
【００３２】
また、暖房負荷からの戻り配管及び往き配管には、熱媒体の温度を検出する温度センサ１８，１９が設けられている。更に、給湯負荷への給湯用配管には、給湯温度を検出する温度センサ２０が設けられている。
【００３３】
給湯用コントローラ１０は、温度センサ１６，１７ａ〜１７ｅ，１８，１９，２０により検出される温度、流量センサ１５により検出される給水量、補助熱源９により発生した熱量、熱媒循環ポンプ１４の熱媒循環流量等から、暖房負荷や給湯負荷において実際に消費された熱量や成層式貯湯槽８における放熱損失を検出する。また、ＦＣ用コントローラ６と給湯用コントローラ１０とは協働して、コージェネレーション・システム１の制御を行う。
【００３４】
図２は本発明の実施形態１に係るコージェネレーション・システムの出力制御装置の構成を表すブロック図である。図２において、ＦＣ２、インバータ３、余剰電力ヒータ５、補助熱源９、循環ポンプ１１、及び、熱媒循環ポンプ１４は図１と同様のものである。
【００３５】
本実施形態に係る出力制御装置３０は、負荷消費量予測手段３１、負荷記憶手段３２、発電計画策定手段３３、発電計画記憶手段３４、停止区間決定手段３５、マイナス省エネ量記憶手段３８、及びシステム制御手段３９を有する。また、停止区間決定手段３５は、最低省エネ区間選択手段３６及び停止判定手段３７を備えており、システム制御手段３９は、ＦＣ運転制御手段４０を備えている。
【００３６】
本実施形態に係る出力制御装置３０は、ＦＣ用コントローラ６及び給湯器用コントローラ１０が協働することにより実現されている。また、負荷消費量予測手段３１は、消費電力検出手段４１により検出される電力負荷の電力消費量、暖房負荷熱量検出手段４２によって検出される暖房負荷の消費熱量、及び給湯負荷熱量検出手段４３により検出される給湯負荷の消費熱量に基づいて、１日の各時間帯ｎ（ｎ∈｛０，１，…，２３｝。但し、時間帯ｎとは、ｎ時〜ｎ＋１時までの時間帯を表す。）における電力負荷、暖房負荷、及び給湯負荷の消費電力又は消費熱量の予測値Ｗｐ（ｎ），Ｑｈ（ｎ），Ｑｓ（ｎ）を決定し、負荷記憶手段３２に記憶する。ここで、消費電力検出手段４１は、電流センサ１２，１３により実現されている。暖房負荷熱量検出手段４２は、温度センサ１８，１９及び給湯用コントローラ１０により実現されている。また、給湯負荷熱量検出手段４３は、温度センサ１６，２０及び流量センサ１５により実現されている。
【００３７】
発電計画策定手段３３は、負荷記憶手段３２に記憶された１日の各時間帯ｎにおける電力負荷、暖房負荷、及び給湯負荷の消費電力又は消費熱量の予測値Ｗｐ（ｎ），Ｑｈ（ｎ），Ｑｓ（ｎ）に基づいて、発電計画策定期間内の省エネ量Ｅｓａｖ（ｎ）の総和が最大となるように各時間帯ｎのＦＣ２の発電量Ｗｐ（ｎ）を決定し、発電計画記憶手段３４に記憶させる。本発明においては、発電計画策定手段３３による時間帯ｎのＦＣ２の発電量Ｗｐ（ｎ）の決定方法については特に限定はしない。尚、省エネ量Ｅｓａｖ（ｎ）の算出の仕方については、後で詳細に説明する。
【００３８】
停止区間決定手段３５は、発電計画記憶手段３４に記憶された発電計画策定期間内の各時間帯ｎ（＝０，…，２３）の省エネ量Ｅｓａｖ（ｎ）を参照して、発電計画策定期間内における連続する時間帯区間［ｎｓｔａｒｔ，ｎｓｔｏｐ］（ｎｓｔａｒｔ＜ｎｓｔｏｐ，  ｎｓｔａｒｔ∈｛０，…，２３｝，  ｎｓｔｏｐ∈｛０，…，２３｝）のうちで、その時間帯区間における省エネ量の総和が、ＦＣ２を同時間帯区間［ｎｓｔａｒｔ，ｎｓｔｏｐ］で停止した場合の省エネ量の総和よりも小さい場合には、この連続する時間帯区間においてＦＣ２の発電を停止することを決定する。
【００３９】
システム制御手段３９は、コージェネレーション・システム１のＦＣ２、インバータ３、余剰電力ヒータ５、補助熱源９、循環ポンプ１１、熱媒循環ポンプ１４等の運転制御を行う。このシステム制御手段３９は、ＦＣ運転制御手段４０を有している。ＦＣ運転制御手段４０は、運転計画記憶手段３４に格納された発電計画策定期間内の発電出力｛Ｗｐ（ｎ）；ｎ＝０，…，２３｝及び停止区間決定手段３５により決定された運転停止時間帯に従ってＦＣ２の発電出力の制御及び発電の停止と起動制御を行う。
【００４０】
以上のように構成された本実施形態に係るコージェネレーション・システムの出力制御装置において、以下その動作を説明する。ここではまず最初に、有効消費エネルギー及び省エネ量を算出するための基礎となる省エネ量算出モデルについて説明する。その後、出力制御装置の動作の詳細について説明する。
【００４１】
〔１〕省エネ量算出モデル
（１）コージェネレーション・システムの有効消費エネルギーの計算モデル
図３に本実施形態で用いるコージェネレーション・システムの省エネ量の計算モデルを表す。ここでは、まずＦＣ発電量｛Ｗｆｃ（ｎ）；  ｎ∈｛０，１，…，２３｝｝、負荷消費電力｛Ｗｐ（ｎ）  ；  ｎ∈｛０，１，…，２３｝｝、暖房負荷熱量｛Ｑｈ（ｎ）  ；  ｎ∈｛０，１，…，２３｝｝、及び給湯負荷熱量｛Ｑｓ（ｎ）  ；  ｎ∈｛０，１，…，２３｝｝は既知の値であるとする。ここで、「ＦＣ発電量」とは、ＦＣ２が発電する電力量をいう。「負荷消費電力」とは、電力負荷が消費する電力の予測値をいう。「暖房負荷熱量」とは、暖房負荷が消費する熱量の予測値をいう。また、「給湯負荷熱量」とは、給湯負荷が消費する熱量の予測値をいう。
【００４２】
ＦＣ２の発電効率をεｅｆｃとすると、時間帯ｎにおけるＦＣ消費ガス量Ｑｆｃ（ｎ）は、（数１）により表される。ここで、「ＦＣ消費ガス量」とは、ＦＣ２が発電のために消費するガスの総量を熱量で換算した値をいう。
【数１】
2005009781.tif 000003
【００４３】
（１．１）電力消費
時間帯ｎにおけるＦＣ発電量Ｗｆｃ（ｎ）のうち、実際に電力負荷において使用可能な電力は、ＦＣ発電量Ｗｆｃ（ｎ）から補機消費電力ＷＬを差し引いた電力量Ｗｆｃ（ｎ）−ＷＬである。ここで、「補機消費電力」とは、ＦＣ２が発電を行うために作動させなければならない機器（例えば、排熱回収用ポンプ等の補機）において消費される電力量をいう。また、ＦＣ２で発電された電力が商用電源側に逆潮流することを防止する必要もある。そこで、以下の２つの場合に分けて考える必要がある。
【００４４】
（ａ）Ｗｆｃ（ｎ）−ＷＬ≦Ｗｐ（ｎ）の場合
この場合、Ｗｆｃ（ｎ）−ＷＬは負荷消費電力Ｗｐ（ｎ）よりも低いので、ＦＣ２が発電した電力は総て電力負荷において消費され、商用電源側への電力の逆潮流は生じない。従って、有効負荷消費電力Ｗｅｆｆ（ｎ）は（数２）により表される。ここで、「有効負荷消費電力」とは、ＦＣ２が出力する電力のうちで電力負荷において消費される電力をいう。尚、この場合に不足分の電力Ｗｐ（ｎ）−  Ｗｅｆｆ（ｎ）は、商用電源から供給される電力によって補われる。
【数２】
2005009781.tif 000004
【００４５】
（ｂ）Ｗｆｃ（ｎ）−ＷＬ＞Ｗｐ（ｎ）の場合
この場合、Ｗｆｃ（ｎ）−ＷＬが負荷消費電力Ｗｐ（ｎ）を超えているため、ＦＣ２が発電した電力の総ては電力負荷において消費されない。そこで、商用電源側への電力の逆潮流を防止するために、余剰な電力は余剰電力ヒータ５において消費される。従って、この場合の有効負荷消費電力Ｗｅｆｆ（ｎ）は（数３）で表される。
【数３】
2005009781.tif 000005
【００４６】
ここで、Ｗｓｕｐ（ｎ）は時間帯ｎにおいて余剰電力ヒータ５において消費される電力を表し、（数４）により計算することができる。
【数４】
2005009781.tif 000006
このヒータ消費電力Ｗｓｕｐ（ｎ）は、循環水により熱量として回収される。余剰電力ヒータ５の発熱効率をηｓｕｐとすると、余剰電力ヒータ５で回収される熱量Ｑｓｕｐ（ｎ）は、（数５）により表される。
【数５】
2005009781.tif 000007
【００４７】
（１．２）熱消費
（数１）によりＦＣ消費ガス量Ｑｆｃ（ｎ）が決まると、ＦＣ排熱量Ｑｅ（ｎ）の値が（数６）により定まる。ここで、「ＦＣ排熱量」とは、ＦＣ２が排熱として循環水に供給する熱量をいう。また、（数６）においてｈｆｃはＦＣ２及び排熱熱交換器４の熱効率（以下、「ＦＣ熱効率」という。）を表す。
【数６】
2005009781.tif 000008
【００４８】
このとき、コージェネレーション・システム１全体の熱出力（以下、「システム熱出力」という。）Ｑｓｙｓ（ｎ）は、（数７）によって表される。尚、上述の通り、Ｗｆｃ（ｎ）−ＷＬ≦Ｗｐ（ｎ）の場合には、Ｑｓｕｐ（ｎ）＝０である。
【数７】
2005009781.tif 000009
【００４９】
（ａ）暖房負荷で消費される熱量
時間帯ｎにおいて、暖房負荷熱量Ｑｈ（ｎ）の値が０でない場合、システム熱出力Ｑｓｙｓ（ｎ）は優先的に暖房負荷に利用される。しかしながら、実際には暖房負荷において要求される温度に対して、暖房熱交換器７に供給される循環水の温度は、一般的にあまり高くない。そのため、暖房負荷熱量Ｑｈ（ｎ）の総てをシステム熱出力Ｑｓｙｓ（ｎ）で賄うことは困難であり、通常は暖房負荷熱量Ｑｈ（ｎ）の一部がシステム熱出力Ｑｓｙｓ（ｎ）で賄われる。そして、補助熱源９により供給される熱量Ｑｈｓｕｂ（ｎ）により、残りの熱量が賄われる。
【００５０】
そこで、平均的に暖房負荷熱量Ｑｈ（ｎ）においてシステム熱出力Ｑｓｙｓ（ｎ）が利用される割合（以下、「暖房負荷排熱利用率」という。）をＲｈとする。このとき、システム熱出力Ｑｓｙｓ（ｎ）のうち暖房負荷に利用される熱量（以下、「暖房消費熱出力」という。）Ｑｈｅｆｆ（ｎ）は、（数８）により表される。尚、通常、Ｒｈの値は０．１程度となる。
【数８】
2005009781.tif 000010
【００５１】
（ｂ）給湯負荷で消費される熱量
時間帯ｎで暖房負荷において利用されなかった残りの熱量（以下、「貯湯供給熱量」という。）Ｑｔ（ｎ）＝Ｑｓｙｓ（ｎ）−Ｑｈｅｆｆ（ｎ）は、給湯負荷において利用される。但し、時間帯ｎにおいて給湯負荷熱量Ｑｓ（ｎ）は決まっているため、貯湯供給熱量Ｑｔ（ｎ）の総てが給湯負荷に利用されるとは限らない。従って、時間帯ｎにおいて給湯負荷に利用されなかった残りの熱量は、一旦、成層式貯湯槽８に蓄熱された後に、後の時間帯において給湯負荷に利用される。
【００５２】
しかしながら、成層式貯湯槽８に蓄熱された場合、放熱により時間とともに蓄熱された熱の一部が失われていく。そこで、貯湯供給熱量Ｑｔ（ｎ）のうち、後の時間帯で成層式貯湯槽８の放熱により失われる熱量の総和を放熱損失Ｑｌ（ｎ）とする。そして、実際に給湯負荷で利用される熱量を有効貯湯熱量Ｑｓｅｆｆ（ｎ）とすると、有効貯湯熱量Ｑｓｅｆｆ（ｎ）は（数９）により計算することができる。
【数９】
2005009781.tif 000011
【００５３】
ここで、放熱損失Ｑｌ（ｎ）の見積もり方が問題となるが、本実施の形態においては、一例として、以下のような簡単なモデルを用いて見積もりを行う。まず、時間帯ｎにおいて成層式貯湯槽８に供給される貯湯供給熱量Ｑｔ（ｎ）のうち、時間帯ｎからｉ個の時間帯だけ経過した時間帯ｎ＋ｉにおいて、成層式貯湯槽８に残っている熱量をＱｒ（ｎ；ｉ）とする。そうすると、最終的な放熱損失Ｑｌ（ｎ）は（数１０）により表すことができる。（数１０）において、右辺の和はｉが０から２３までの値をとるうちで、Ｑｒ（ｎ；ｉ）が０ではない場合について和をとることを意味する。また、ｒは放熱係数を表す。
【数１０】
2005009781.tif 000012
【００５４】
時間帯ｎにおいて貯湯槽に残っている熱量Ｑｒ（ｎ；０）は、（数１１）により表される。
【数１１】
2005009781.tif 000013
【００５５】
また、時間帯ｎ＋ｉ（ｉ＞０）において貯湯槽に残っている熱量Ｑｒ（ｎ；ｉ）は、計算を簡単化するため（数１２）により見積もることとする。
【数１２】
2005009781.tif 000014
【００５６】
（２）省エネ量の計算モデル
上述のようなコージェネレーション・システム１において、時間帯ｎにおいて消費される全エネルギーは、ＦＣ消費ガス量Ｑｆｃ（ｎ）に等しい。そして、コージェネレーション・システム１において時間帯ｎにおいて供給された全エネルギーのうち有効に消費されるエネルギーＥｅｆｆ（ｎ）（以下、「有効消費エネルギー」という。）は、有効負荷消費電力Ｗｅｆｆ（ｎ）、暖房消費熱出力Ｑｈｅｆｆ（ｎ）、及び有効貯湯熱量Ｑｓｅｆｆ（ｎ）である。従って、コージェネレーション・システム１のエネルギー利用効率ηｓｙｓ（ｎ）は（数１３）により表される。
【数１３】
2005009781.tif 000015
【００５７】
一方、「省エネ量」とは、コージェネレーション・システムでの時間帯ｎにおける有効消費エネルギーを商用電源及び従来のガス給湯器等により賄った場合の消費エネルギーと、コージェネレーション・システムでの時間帯ｎにおける有効消費エネルギーとの差をいう。
【００５８】
発電所の発電効率をεｐ（０）〔ＨＨＶ〕、従来の一般的な暖房機器のエネルギー効率をｈｈ（０）〔ＨＨＶ〕、従来の一般的な給湯器のエネルギー効率をｈｓ（０）〔ＨＨＶ〕とする。このとき、有効負荷消費電力Ｗｅｆｆ（ｎ）を発電所からの給電により賄った場合、発電所で消費される１次エネルギーの換算値Ｗｅｆｆ（０）（ｎ）は、（数１４）により表される。
【数１４】
2005009781.tif 000016
【００５９】
同様に、暖房消費熱出力Ｑｈｅｆｆ（ｎ）、有効貯湯熱量Ｑｓｅｆｆ（ｎ）を従来の一般的な暖房機器からの熱出力により賄った場合、従来の一般的な暖房機器、給湯器で消費される一次エネルギーの換算値Ｑｈｅｆｆ（０）（ｎ）、Ｑｓｅｆｆ（０）（ｎ）は、（数１５）、（数１６）により表される。
【数１５】
2005009781.tif 000017
【数１６】
2005009781.tif 000018
【００６０】
従って、コージェネレーション・システム１での時間帯ｎにおける有効消費エネルギーを、発電所からの給電及び従来のガス給湯器等により賄った場合の消費エネルギーＥｅｆｆ（０）（ｎ）は、（数１７）により表される。
【数１７】
2005009781.tif 000019
従って、省エネ量Ｅｓａｖ（ｎ）は（数１８）により計算することができる。また、省エネ度ηｓａｖ（ｎ）は（数１９）により定義される。
【数１８】
2005009781.tif 000020
【数１９】
2005009781.tif 000021
【００６１】
尚、ここでは暖房負荷がある場合について説明をしたが、暖房負荷を有しないコージェネレーション・システムの場合には、Ｑｈ（ｎ）＝０とおくことで、このモデルをそのまま適用することができる。
【００６２】
〔２〕出力制御装置の動作の詳細
図４は本発明の実施形態１に係るコージェネレーション・システムの出力制御方法を表すフローチャートである。
【００６３】
まず、発電計画策定手段３３は、発電計画策定期間内のＦＣ発電量｛Ｗｆｃ（ｎ）  ；  ｎ＝０，…，２３｝を決定し、それら決定されたＦＣ発電量に対する省エネ量｛Ｅｓａｖ（ｎ）  ；  ｎ＝０，…，２３｝を算出する。そして、これらのＦＣ発電量｛Ｗｆｃ（ｎ）｝及び省エネ量｛Ｅｓａｖ（ｎ）｝を発電計画記憶手段３４に記憶する（Ｓ１）。
【００６４】
次に、最低省エネ区間選択手段３６は、発電計画策定期間内における時間帯区間のうちで省エネ量の総和が最小となる時間帯区間（最低省エネ区間）［ｎｓｔａｒｔ，  ｎｓｔｏｐ］を求める。そして、この最低省エネ区間［ｎｓｔａｒｔ，  ｎｓｔｏｐ］における省エネ量の総和（以下、「最低区間省エネ量」）Ｅｓａｖｍｉｎを算出する（Ｓ２）。尚、このステップＳ２における処理（以下、「最低省エネ区間選択処理」という。）の詳細については、後に詳細に説明する。
【００６５】
次に、停止判定手段３７は、最低区間省エネ量Ｅｓａｖｍｉｎの値とマイナス省エネ量Ｅｓａｖｄｓｓの値とを比較し（Ｓ３）、Ｅｓａｖｍｉｎ≦Ｅｓａｖｄｓｓの場合には最低省エネ区間［ｎｓｔａｒｔ，  ｎｓｔｏｐ］においてＦＣ２の発電停止を決定する（Ｓ４）。ここで、「マイナス省エネ量」とは、ＦＣ２を起動及び停止させる際に発電開始前又は発電停止後にＦＣ２により消費されるエネルギーをいう。
【００６６】
そして、ＦＣ運転制御手段４０は、最低省エネ区間［ｎｓｔａｒｔ，  ｎｓｔｏｐ］においては、発電計画記憶手段３４に記憶されたＦＣ発電量｛Ｗｆｃ（ｎ）｝となるように、ＦＣ２の発電量を制御しながら連続運転し、最低省エネ区間［ｎｓｔａｒｔ，  ｎｓｔｏｐ］においてはＦＣ２を停止するようにＦＣ２の運転制御を行う（Ｓ５）。
【００６７】
一方、ステップＳ３において、Ｅｓａｖｍｉｎ＞Ｅｓａｖｄｓｓの場合には、最低省エネ区間［ｎｓｔａｒｔ，  ｎｓｔｏｐ］においてＦＣ２の発電を停止することなく、発電計画策定期間内でＦＣ２を連続運転することを決定する。そして、ＦＣ運転制御手段４０は、発電計画記憶手段３４に記憶されたＦＣ発電量｛Ｗｆｃ（ｎ）｝となるように、ＦＣ２の発電量を制御しながら連続運転を行う。
【００６８】
ここで、「マイナス省エネ量」とは、ＦＣ２の起動時及び停止時において発生するエネルギー損失の総和をいう。マイナス省エネ量には、ＦＣ２の起動時における改質器の予熱に消費されるガス量と消費電力量、ＦＣ２の発電開始前及び発電停止後における改質器の冷却ポンプや冷却ファンの消費電力等が含まれる。
【００６９】
以上が本実施形態に係る出力制御方法の全体的な流れである。次に、最低省エネ区間選択処理について詳細に説明する。
【００７０】
図５は最低省エネ区間選択処理を表すフローチャートである。
最低省エネ区間選択処理では、まず、停止区間決定手段３５は、省エネ量の区間最小値Ｅｓａｖｍｉｎの値を０に初期化する（Ｓ１）。次に、時間帯区間の始まりを表すパラメータｓの値を０に設定し（Ｓ１２）、時間帯区間の終わりを表すパラメータｓの値を０に設定する（Ｓ１３）。
【００７１】
次に、ｓ≠ｅか否かを判定する（Ｓ１４）。ここで、ｓ≠ｅの場合には、まず、時間帯区間［ｓ，ｅ］内の省エネ量の和Ｅｓａｖを０に初期化した後（Ｓ１５）、ｓ＜ｅか否かを判定する（Ｓ１６）。
【００７２】
ここで、ｓ＜ｅの場合には、時間帯ｓ〜ｅの省エネ量Ｅｓａｖ（ｓ）〜Ｅｓａｖ（ｅ）の値を省エネ量の和Ｅｓａｖに加算し、時間帯区間［ｓ，ｅ］の省エネ量の総和を求める（Ｓ１７〜Ｓ１９）。
【００７３】
一方、ステップＳ１６において、ｓ≧ｅの場合には、時間帯０〜ｅ及び時間帯ｓ〜２３の省エネ量Ｅｓａｖ（０）〜Ｅｓａｖ（ｅ），Ｅｓａｖ（ｓ）〜Ｅｓａｖ（２３）の値を省エネ量の和Ｅｓａｖに加算し、時間帯区間［０，ｅ］，［ｓ，２３］の省エネ量の総和を求める（Ｓ２０〜Ｓ２５）。すなわち、この場合は、２４時を跨ぐ時間帯区間［ｓ，ｅ］＝｛ｓ，ｓ＋１，…，２３，０，…，ｅ−１，ｅ｝における省エネ量の総和が求められる。
【００７４】
次に、時間帯区間［ｓ，ｅ］についての総和Ｅｓａｖが、現時点での省エネ量の区間最小値Ｅｓａｖｍｉｎよりも小さいか否かを判定する（Ｓ２６）。ここで、Ｅｓａｖｍｉｎ＜Ｅｓａｖの場合には、省エネ量の区間最小値Ｅｓａｖｍｉｎの値をＥｓａｖで置き換え（Ｓ２７）、最小区間の前端の時間帯ｎｓｔａｒｔの値をｓ、最小区間の後端の時間帯ｎｓｔｏｐの値をｅに置き換える（Ｓ２８，Ｓ２９）。
【００７５】
尚、ステップＳ１４においてｓ＝ｅの場合には、区間の前端と後端が同じ時間帯となるので、上記Ｓ１５〜Ｓ２９までの動作は行われない。
【００７６】
上記ステップＳ１４〜Ｓ２９までの動作を時間帯ｓ，ｅの値を０から２３まで変化させながら繰り返し（Ｓ３０，３１）、終了する。
【００７７】
この最低省エネ区間選択処理により、省エネ量が最小となる時間帯区間［ｎｓｔａｒｔ，ｎｓｔｏｐ］と省エネ量の区間最小値Ｅｓａｖｍｉｎの値が求められる。
【００７８】
図６は１日の省エネ量の時間変化の一例を表した図である。図６の例においては、省エネ量の総和は２２時から翌日の５時までの時間帯区間が最小となる。従って、時間帯区間［２２，５］の省エネ量の総和Ｅｓａｖｍｉｎの値とマイナス省エネ量Ｅｓａｖｄｓｓの値とを比較して、Ｅｓａｖｍｉｎ≦Ｅｓａｖｄｓｓの場合にはＦＣ２の運転が停止されることになる。
【００７９】
以上のように、本実施形態によれば、省エネ量が最小となる時間帯区間［ｎｓｔａｒｔ，ｎｓｔｏｐ］における省エネ量の区間最小値Ｅｓａｖｍｉｎの値がマイナス省エネ量Ｅｓａｖｄｓｓと比較して、前者が小さい場合には時間帯区間［ｎｓｔａｒｔ，ｎｓｔｏｐ］においてＦＣ２を停止させることで、連続運転をする場合に比べてより省エネルギー性を高めることができる。
【００８０】
尚、本実施形態では、ＦＣ２の運転を停止するか否かの判断基準値として省エネ量を使用したが、本発明においては省エネ量の代わりに省エネ度を使用することも可能である。
【００８１】
また、本実施形態においては、ＦＣ用コントローラ６及び給湯用コントローラ１０をマイコンにより構成し、これらのマイコンでコージェネレーション・システムの出力制御プログラムを実行することにより、上記出力制御装置を実現する構成としてもよい。
【００８２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、発電計画策定期間内の連続する時間帯区間において、コージェネレーション装置を連続運転するよりも停止させた方が省エネ量又は省エネ度の観点から有利な場合に、停止区間決定手段はコージェネレーション装置を停止させるように決定する。従って、コージェネレーション装置の起動時又は停止時のエネルギー損失を含めてコージェネレーション・システム全体の省エネルギー性を最大とすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係るコージェネレーション・システムの構成図である。
【図２】本発明の実施形態１に係るコージェネレーション・システムの出力制御装置の構成を表すブロック図である。
【図３】本実施形態で用いるコージェネレーション・システムの省エネ量の計算モデルを表す図である。
【図４】本発明の実施形態１に係るコージェネレーション・システムの出力制御方法を表すフローチャートである。
【図５】最低省エネ区間選択処理を表すフローチャートである。
【図６】１日の省エネ量の時間変化の一例を表した図である。
【符号の説明】
１  コージェネレーション・システム
２  燃料電池（ＦＣ）
３  インバータ
４  排熱熱交換器
５  余剰電力ヒータ
６  ＦＣ用コントローラ
７  暖房熱交換器
８  成層式貯湯槽
９  補助熱源
１０  給湯用コントローラ
１１  循環ポンプ
１２，１３  電流センサ
１４  熱媒循環ポンプ
１５  流量センサ
１６，１７ａ〜１７ｅ，１８，１９，２０  温度センサ
３０  出力制御装置
３１  負荷消費量予測手段
３２  負荷記憶手段
３３  発電計画策定手段
３４  発電計画記憶手段
３５  停止区間決定手段
３６  最低省エネ区間選択手段
３７  停止判定手段
３８  マイナス省エネ量記憶手段
３９  システム制御手段
４０  ＦＣ運転制御手段
４１  消費電力検出手段
４２  暖房負荷熱量検出手段
４３  給湯負荷熱量検出手段
【図１】
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【図２】
2005009781.tif 000023
【図３】
2005009781.tif 000024
【図４】
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【図５】
2005009781.tif 000026
【図６】
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