(57)【要約】【課題】総ての時間帯でコージェネレーション・システムを使用しつつ最大限の省エネルギー性を達成することを可能とする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。【解決手段】負荷記憶手段３２に記憶された各時間帯における電力負荷、暖房負荷、給湯負荷の消費量予測値に基づき、各時間帯でコージェネレーション装置２が出力する電力量に対する有効消費エネルギーを算出する有効消費エネルギー算出手段３３と、有効消費エネルギーを商用電源等で賄った場合に必要な一次消費エネルギーと有効消費エネルギーとの差である省エネ量を算出する省エネ性評価手段３４と、各時間帯における発電出力と省エネ量との関係を算出し１日の省エネ量の総和が最大となるように各時間帯において発電量を決定する発電出力最適化手段３５とを備えた。【選択図】        図２
2005012906.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
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ける前記電力負荷の消費電力量及び前記熱負荷の消費熱量の予測値を記憶する負荷記憶手段と、
前記負荷記憶手段に記憶された各時間帯における前記電力負荷の消費電力量、及び前記熱負荷の消費熱量を消費電力量及び消費熱量の予測値として、各時間帯において前記コージェネレーション装置が出力する電力量に対して、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に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算出する有効消費エネルギー算出手段と、
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と、前記有効消費エネルギーとの差である省エネ量、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を算出する省エネ性評価手段と、
前記有効消費エネルギー算出手段と前記省エネ性評価手段とにより、発電計画策定期間内の各時間帯における前記コージェネレーション装置の発電出力と前記省エネ量又は省エネ度との関係を算出し、発電計画策定期間内における前記省エネ量又は省エネ度の総和が最大となるように、各時間帯において前記コージェネレーション装置が発電する電力量を決定する発電出力最適化手段と、
を備えたことを特徴とする出力制御装置。
【請求項２】
前記発電出力最適化手段は、各時間帯が経過するごとに、その時間帯から後の発電計画策定期間内における各時間帯の前記コージェネレーション装置が発電する電力量を決定す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】
前記発電出力最適化手段は、
ａ．前記コージェネレーション装置の発電電力量が既に決定されている時間帯に対しては、その決定された電力量を発電するように前記コージェネレーション装置を運転する拘束条件の下において、前記コージェネレーション装置の発電電力量がまだ決定されていない総ての時間帯のそれぞれに対して、省エネ量又は省エネ度が最大となる発電電力量及びその発電電力量に対する省エネ量又は省エネ度を算出し、
ｂ．算出された省エネ量又は省エネ度のうち最大のものに対応する時間帯に対しては、当該省エネ量又は省エネ度が最大となる発電電力量で前記コージェネレーション装置が発電するものと決定する、
という動作を繰り返すことにより、総ての時間帯に対して前記コージェネレーション装置の発電電力量を順次決定することを特徴とする請求項１又は２記載の出力制御装置。
【請求項４】
前記有効消費エネルギー算出手段は、
各時間帯に前記コージェネレーション装置が出力する電力量を前記電力負荷が利用可能な電力量とする有効負荷消費電力算出手段と、
各時間帯において前記コージェネレーション装置が出力する熱量を前記蓄熱装置に供給される供給蓄熱量として推算する供給蓄熱量算出手段と、
前記負荷記憶手段に格納された各時間帯における熱負荷の消費熱量の予測値に基づき、前記供給蓄熱量のうち蓄熱時に放熱により喪失する放熱損失の推定値を算出する放熱損失算出手段と、
前記供給蓄熱量から前記放熱損失の推定値を差し引いた値を前記熱負荷で利用可能な熱量として推算する給湯消費出力算出手段と、
を備えていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一記載の出力制御装置。
【請求項５】
前記コージェネレーション・システムは、
前記コージェネレーション装置が出力する排熱を消費する暖房負荷、及び前記蓄熱装置に蓄熱された排熱を消費する給湯負荷からなる前記熱負荷と、
各時間に前記コージェネレーション装置が出力する電力が、その時間に前記電力負荷が消費する電力を超えた場合に、前記コージェネレーション装置が出力する電力の一部を熱に変換する電熱変換装置と、
を備えており、
前記有効消費エネルギー算出手段は、
前記負荷記憶手段に格納された各時間帯における消費電力の予測値に基づき、各時間帯に前記コージェネレーション装置が出力する電力量のうち前記電熱変換装置において消費される電力量及び前記電熱変換装置が出力する熱量を推算する電熱変換算出手段と、
各時間帯に前記コージェネレーション装置が出力する電力量から前記コージェネレーション・システム内における損失電力量及び前記電熱変換装置において消費される電力量を差し引いた値を前記電力負荷が利用可能な電力量として推算する有効負荷消費電力算出手段と、
前記負荷記憶手段に格納された各時間帯における暖房負荷の消費熱量の予測値の所定の割合を当該時間帯における前記暖房負荷における排熱の仮消費熱量と推算するとともに、当該時間帯において前記コージェネレーション装置が出力する熱量及び前記電熱変換装置が出力する熱量の和であるシステム熱出力が前記暖房負荷の仮消費熱量よりも大きい場合には、前記暖房負荷の仮消費熱量を前記暖房負荷で利用可能な熱量として推算し、前記システム熱出力が前記暖房負荷の仮消費熱量よりも小さい場合には、前記システム熱出力を前記暖房負荷で利用可能な熱量として推算する暖房消費出力算出手段と、
前記システム熱出力から前記暖房負荷で利用可能な熱量を差し引いた値を前記蓄熱装置に供給される供給蓄熱量として推算する供給蓄熱量算出手段と、
前記負荷記憶手段に格納された各時間帯における給湯負荷の消費熱量の予測値に基づき、前記供給蓄熱量のうち蓄熱時に放熱により喪失する放熱損失の推定値を算出する放熱損失算出手段と、
前記供給蓄熱量から前記放熱損失の推定値を差し引いた値を前記給湯負荷で利用可能な熱量として推算する給湯消費出力算出手段と、
を備えていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一記載の出力制御装置。
【請求項６】
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、
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、
ａ．負荷記憶手段に記憶された発電計画策定期間内の各時間帯における前記電力負荷の消費電力量及び前記熱負荷の消費熱量の予測値を消費電力量及び消費熱量の予測値として、各時間帯において前記コージェネレーション装置が出力する電力量に対して、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に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算出し、
ｂ．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と、前記有効消費エネルギーとの差である省エネ量、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を算出する、
という手順によって発電計画策定期間内の各時間帯における前記コージェネレーション装置の発電出力と前記省エネ量又は省エネ度との関係を算出し、
発電計画策定期間内における前記省エネ量又は省エネ度の総和が最大となるように、各時間帯において前記コージェネレーション装置が発電する電力量を最適化することを特徴とする出力制御方法。
【請求項７】
各時間帯が経過するごとに、その時間帯から後の発電計画策定期間内における各時間帯の前記コージェネレーション装置が発電する電力量を決定することを特徴とする請求項６記載の出力制御方法。
【請求項８】
前記コージェネレーション装置が発電する電力量を最適化する場合において、
ａ．前記コージェネレーション装置の発電電力量が既に決定されている時間帯に対しては、その決定された電力量を発電するように前記コージェネレーション装置を運転する拘束条件の下において、前記コージェネレーション装置の発電電力量がまだ決定されていない総ての時間帯のそれぞれに対して、省エネ量又は省エネ度が最大となる発電電力量及びその発電電力量に対する省エネ量又は省エネ度を算出し、
ｂ．算出された省エネ量又は省エネ度のうち最大のものに対応する時間帯に対しては、当該省エネ量又は省エネ度が最大となる発電電力量で前記コージェネレーション装置が発電するものと決定する、
という動作を繰り返すことにより、総ての時間帯に対して前記コージェネレーション装置の発電電力量を順次決定することを特徴とする請求項６又は７記載の出力制御方法。
【請求項９】
前記有効消費エネルギーを算出する場合において、
各時間帯に前記コージェネレーション装置が出力する電力量を前記電力負荷が利用可能な電力量とし、
各時間帯において前記コージェネレーション装置が出力する熱量を前記蓄熱装置に供給される供給蓄熱量として推算し、
前記負荷記憶手段に格納された各時間帯における熱負荷の消費熱量の予測値に基づき、前記供給蓄熱量のうち蓄熱時に放熱により喪失する放熱損失の推定値を算出し、
前記供給蓄熱量から前記放熱損失の推定値を差し引いた値を前記熱負荷で利用可能な熱量として推算すること
を特徴とする請求項６乃至８の何れか一記載の出力制御方法。
【請求項１０】
前記コージェネレーション・システムは、
前記コージェネレーション装置が出力する排熱を消費する暖房負荷、及び前記蓄熱装置に蓄熱された排熱を消費する給湯負荷からなる前記熱負荷と、
各時間に前記コージェネレーション装置が出力する電力が、その時間に前記電力負荷が消費する電力を超えた場合に、前記コージェネレーション装置が出力する電力の一部を熱に変換する電熱変換装置と、
を備えており、
前記有効消費エネルギーを算出する場合において、
前記負荷記憶手段に格納された各時間帯における消費電力の予測値に基づき、各時間帯に前記コージェネレーション装置が出力する電力量のうち前記電熱変換装置において消費される電力量及び前記電熱変換装置が出力する熱量を推算し、
各時間帯に前記コージェネレーション装置が出力する電力量から前記コージェネレーション・システム内における損失電力量及び前記電熱変換装置において消費される電力量を差し引いた値を前記電力負荷が利用可能な電力量として推算し、
前記負荷記憶手段に格納された各時間帯における暖房負荷の消費熱量の予測値の所定の割合を当該時間帯における前記暖房負荷における排熱の仮消費熱量と推算するとともに、当該時間帯において前記コージェネレーション装置が出力する熱量及び前記電熱変換装置が出力する熱量の和であるシステム熱出力が前記暖房負荷の仮消費熱量よりも大きい場合には、前記暖房負荷の仮消費熱量を前記暖房負荷で利用可能な熱量として推算し、前記システム熱出力が前記暖房負荷の仮消費熱量よりも小さい場合には、前記システム熱出力を前記暖房負荷で利用可能な熱量として推算し、
前記システム熱出力から前記暖房負荷で利用可能な熱量を差し引いた値を前記蓄熱装置に供給される供給蓄熱量として推算し、
前記負荷記憶手段に格納された各時間帯における給湯負荷の消費熱量の予測値に基づき、前記供給蓄熱量のうち蓄熱時に放熱により喪失する放熱損失の推定値を算出し、
前記供給蓄熱量から前記放熱損失の推定値を差し引いた値を前記給湯負荷で利用可能な熱量として推算すること
を特徴とする請求項６乃至８の何れか一記載の出力制御方法。
【請求項１１】
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乃至５の何れか一に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・システムにおけるコージェネレーション装置の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な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ない、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なう運転方法をいう。
【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な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な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】
しかしながら、上記従来のコージェネレーション・システムの出力制御技術においては、電主運転を行う運転時間帯を決定するのみである。すなわち、決定された時間帯以外の時間帯においてはコージェネレーション装置を停止させ、発電所からの給電により負荷消費電力を賄うとともに、一般の暖房機器や給湯機器により消費熱量を賄う。従って、電主運転を行う運転時間帯以外の時間帯においてはコージェネレーション・システムが有効に活用されていない。そのため、省エネルギー性を高めるためには、更に改善の余地が大きい。
【００１１】
また、実際には、コージェネレーション装置から出力される熱量は、一旦蓄熱された後に給湯負荷等の熱負荷に供給される。従って、この蓄熱中において放熱により熱の一部は失われ、実際に使用可能な熱量はコージェネレーション装置から出力される熱量よりも小さくなる。しかしながら、上記従来の出力制御技術においては、蓄熱中における放熱による熱損失の影響が考慮されていない。従って、コージェネレーション装置の出力制御を充分に最適化しているものとはいえない。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、総ての時間帯においてコージェネレーション・システムを使用して最大限の省エネルギー性を達成することを可能とする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。
【００１３】
【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、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ける前記電力負荷の消費電力量及び前記熱負荷の消費熱量の予測値を記憶する負荷記憶手段と、前記負荷記憶手段に記憶された各時間帯における前記電力負荷の消費電力量及び前記熱負荷の消費熱量を消費電力量及び消費熱量の予測値として、各時間帯において前記コージェネレーション装置が出力する電力量に対して、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に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算出する有効消費エネルギー算出手段と、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と、前記有効消費エネルギーとの差である省エネ量、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を算出する省エネ性評価手段と、前記有効消費エネルギー算出手段と前記省エネ性評価手段とにより、発電計画策定期間内の各時間帯における前記コージェネレーション装置の発電出力と前記省エネ量又は省エネ度との関係を算出し、発電計画策定期間内における前記省エネ量又は省エネ度の総和が最大となるように、各時間帯において前記コージェネレーション装置が発電する電力量を決定する発電出力最適化手段と、を備えたことを特徴とする。ここで、省エネ性評価手段は、省エネ量又は省エネ度を算出することに限らず、類似の省エネ指数を算出するように構成してもよい。
【００１４】
この構成により、発電計画策定期間内の各時間帯における前記電力負荷の消費電力量、及び前記熱負荷の消費熱量の予測値を、消費電力量及び消費熱量の推定値として、その推定値に対して消費電力量のみならず消費熱量も含めてコージェネレーション装置の省エネ量又は省エネ度が最大となるように最適化することができる。
【００１５】
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。「電力負荷の消費電力量及び給湯負荷の消費熱量の予測値」としては、過去における電力負荷の消費電力量、及び給湯負荷の消費熱量の実績値又はこれらの実績値から導き出される値を使用することができる。「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。
【００１６】
また、負荷記憶手段は、発電計画策定期間の各時間帯における電力負荷の消費電力量、及び熱負荷の消費熱量の予測値を記憶するように構成してもよい。しかし、１週間分の各曜日の各時間帯における電力負荷の消費電力量、及び熱負荷の消費熱量の予測値を記憶するように構成することが好ましい。一般家庭においては、通常は１週間の各曜日によって生活時間帯が異なり、電力消費や熱消費の時間帯や消費量が異なると考えられるからである。
【００１７】
尚、本発明においては、前記発電出力最適化手段は、時刻０時又は所定の時刻において、１日間の前記コージェネレーション装置が発電する電力量を決定するように構成することができる。
【００１８】
これにより、１日ごとにコージェネレーション装置の発電量が最適化され、１日単位で省エネルギー性を高めることができる。
【００１９】
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、前記発電出力最適化手段は、各時間帯が経過するごとに、その時間帯から後の発電計画策定期間内における各時間帯の前記コージェネレーション装置が発電する電力量を決定することを特徴とする。
【００２０】
これにより、各時間帯が経過した時点で、蓄熱装置に蓄熱された熱量の予測値と実際の蓄熱量との間に誤差が生じた場合であっても、１つの時間帯が経過するごとにリアルタイムにその後の各時間帯のコージェネレーション装置が発電する電力量を決定するため、誤差が補正される。従って、常にその時点で最適であると予測されるコージェネレーション装置の発電量が決定される。そのため、コージェネレーション・システムの省エネ性を最大限に高めることができる。
【００２１】
また、本発明においては、各時間帯が経過するごとに、その経過した時間帯における前記電力負荷の消費電力量、及び前記熱負荷の消費熱量の実績値に基づいて前記負荷記憶手段に格納された前記電力負荷の消費電力量、及び前記熱負荷の消費熱量の予測値を更新する負荷消費量予測手段を備えた構成としてもよい。
【００２２】
これにより、負荷記憶手段に格納された電力負荷の消費電力量、及び熱負荷の消費熱量の予測値は常に最新の実績値が反映されるため、これらの消費量の予測誤差を少なくすることができる。
【００２３】
この場合、負荷記憶手段に格納された電力負荷の消費電力量、熱負荷の消費熱量の予測値を更新する場合には、これらの値を実績値により書き換えてもよいし、過去に負荷記憶手段に記憶されているこれらの値と実績値との加重平均を計算し、その加重平均値によって予測値を更新する構成としてもよい。
【００２４】
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３の構成は、前記第１又は２の構成において、前記発電出力最適化手段は、
ａ．前記コージェネレーション装置の発電電力量が既に決定されている時間帯に対しては、その決定された電力量を発電するように前記コージェネレーション装置を運転する拘束条件の下において、前記コージェネレーション装置の発電電力量がまだ決定されていない総ての時間帯のそれぞれに対して、省エネ量又は省エネ度が最大となる発電電力量及びその発電電力量に対する省エネ量又は省エネ度を算出し、
ｂ．算出された省エネ量又は省エネ度のうち最大のものに対応する時間帯に対しては、当該省エネ量又は省エネ度が最大となる発電電力量で前記コージェネレーション装置が発電するものと決定する、
という動作を繰り返すことにより、総ての時間帯に対して前記コージェネレーション装置の発電電力量を順次決定することを特徴とする。
【００２５】
この構成により、コージェネレーション装置の発電電力量が省エネ量又は省エネ度に対して大きな影響を及ぼす時間帯から順にコージェネレーション装置の発電電力量が順次決定される。従って、コージェネレーション装置の発電電力量を短時間で精度よく行うことが可能となる。
【００２６】
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４の構成は、前記第１乃至３の何れか一の構成において、前記有効消費エネルギー算出手段は、各時間帯に前記コージェネレーション装置が出力する電力量を前記電力負荷が利用可能な電力量とする有効負荷消費電力算出手段と、各時間帯において前記コージェネレーション装置が出力する熱量を前記蓄熱装置に供給される供給蓄熱量として推算する供給蓄熱量算出手段と、前記負荷記憶手段に格納された各時間帯における熱負荷の消費熱量の予測値に基づき、前記供給蓄熱量のうち蓄熱時に放熱により喪失する放熱損失の推定値を算出する放熱損失算出手段と、前記供給蓄熱量から前記放熱損失の推定値を差し引いた値を前記熱負荷で利用可能な熱量として推算する給湯消費出力算出手段と、を備えていることを特徴とする。
【００２７】
この構成により、有効消費エネルギー算出手段は、ある時間帯において消費しきれない熱量が蓄熱装置に蓄積された際、蓄熱装置からの放熱により喪失する放熱損失までをも考慮して、各時間帯における有効消費エネルギーを算出することが可能となる。従って、各時間帯における有効消費エネルギーを高い精度で推定することができるため、コージェネレーション・システムのエネルギー効率を高くすることが可能となる。
【００２８】
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５の構成は、前記第１乃至３の何れか一の構成において、前記コージェネレーション・システムは、前記コージェネレーション装置が出力する排熱を消費する暖房負荷、及び前記蓄熱装置に蓄熱された排熱を消費する給湯負荷からなる前記熱負荷と、各時間に前記コージェネレーション装置が出力する電力が、その時間に前記電力負荷が消費する電力を超えた場合に、前記コージェネレーション装置が出力する電力の一部を熱に変換する電熱変換装置と、を備えており、前記有効消費エネルギー算出手段は、前記負荷記憶手段に格納された各時間帯における消費電力の予測値に基づき、各時間帯に前記コージェネレーション装置が出力する電力量のうち前記電熱変換装置において消費される電力量及び前記電熱変換装置が出力する熱量を推算する電熱変換算出手段と、各時間帯に前記コージェネレーション装置が出力する電力量から前記コージェネレーション・システム内における損失電力量及び前記電熱変換装置において消費される電力量を差し引いた値を前記電力負荷が利用可能な電力量として推算する有効負荷消費電力算出手段と、前記負荷記憶手段に格納された各時間帯における暖房負荷の消費熱量の予測値の所定の割合を当該時間帯における前記暖房負荷における排熱の仮消費熱量と推算するとともに、当該時間帯において前記コージェネレーション装置が出力する熱量及び前記電熱変換装置が出力する熱量の和であるシステム熱出力が前記暖房負荷の仮消費熱量よりも大きい場合には、前記暖房負荷の仮消費熱量を前記暖房負荷で利用可能な熱量として推算し、前記システム熱出力が前記暖房負荷の仮消費熱量よりも小さい場合には、前記システム熱出力を前記暖房負荷で利用可能な熱量として推算する暖房消費出力算出手段と、前記システム熱出力から前記暖房負荷で利用可能な熱量を差し引いた値を前記蓄熱装置に供給される供給蓄熱量として推算する供給蓄熱量算出手段と、前記負荷記憶手段に格納された各時間帯における給湯負荷の消費熱量の予測値に基づき、前記供給蓄熱量のうち蓄熱時に放熱により喪失する放熱損失の推定値を算出する放熱損失算出手段と、前記供給蓄熱量から前記放熱損失の推定値を差し引いた値を前記給湯負荷で利用可能な熱量として推算する給湯消費出力算出手段と、を備えていることを特徴とする。
【００２９】
この構成により、有効消費エネルギー算出手段は、ある時間帯において消費しきれない熱量が蓄熱装置に蓄積された際、蓄熱装置からの放熱により喪失する放熱損失までをも考慮して、各時間帯における有効消費エネルギーを算出することが可能となる。従って、各時間帯における有効消費エネルギーを高い精度で推定することができるため、コージェネレーション・システムのエネルギー効率を高くすることが可能となる。
【００３０】
ここで、「電熱変換装置」としては、ヒータ等が使用される。
【００３１】
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、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、
ａ．負荷記憶手段に記憶された発電計画策定期間内の各時間帯における前記電力負荷の消費電力量及び前記熱負荷の消費熱量の予測値を消費電力量及び消費熱量の予測値として、各時間帯において前記コージェネレーション装置が出力する電力量に対して、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に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算出し、
ｂ．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と、前記有効消費エネルギーとの差である省エネ量、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を算出する、
という手順によって発電計画策定期間内の各時間帯における前記コージェネレーション装置の発電出力と前記省エネ量又は省エネ度との関係を算出し、発電計画策定期間内における前記省エネ量又は省エネ度の総和が最大となるように、各時間帯において前記コージェネレーション装置が発電する電力量を最適化することを特徴とする。
【００３２】
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、各時間帯が経過するごとに、その時間帯から後の発電計画策定期間内における各時間帯の前記コージェネレーション装置が発電する電力量を決定することを特徴とする。
【００３３】
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３の構成は、前記第１又は２の構成において、前記コージェネレーション装置が発電する電力量を最適化する場合において、
ａ．前記コージェネレーション装置の発電電力量が既に決定されている時間帯に対しては、その決定された電力量を発電するように前記コージェネレーション装置を運転する拘束条件の下において、前記コージェネレーション装置の発電電力量がまだ決定されていない総ての時間帯のそれぞれに対して、省エネ量又は省エネ度が最大となる発電電力量及びその発電電力量に対する省エネ量又は省エネ度を算出し、
ｂ．算出された省エネ量又は省エネ度のうち最大のものに対応する時間帯に対しては、当該省エネ量又は省エネ度が最大となる発電電力量で前記コージェネレーション装置が発電するものと決定する、
という動作を繰り返すことにより、総ての時間帯に対して前記コージェネレーション装置の発電電力量を順次決定することを特徴とする。
【００３４】
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４の構成は、前記第１乃至３の何れか一の構成において、前記有効消費エネルギーを算出する場合において、各時間帯に前記コージェネレーション装置が出力する電力量を前記電力負荷が利用可能な電力量とし、各時間帯において前記コージェネレーション装置が出力する熱量を前記蓄熱装置に供給される供給蓄熱量として推算し、前記負荷記憶手段に格納された各時間帯における熱負荷の消費熱量の予測値に基づき、前記供給蓄熱量のうち蓄熱時に放熱により喪失する放熱損失の推定値を算出し、前記供給蓄熱量から前記放熱損失の推定値を差し引いた値を前記熱負荷で利用可能な熱量として推算することを特徴とする。
【００３５】
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５の構成は、前記第１乃至３の何れか一の構成において、前記コージェネレーション・システムは、前記コージェネレーション装置が出力する排熱を消費する暖房負荷、及び前記蓄熱装置に蓄熱された排熱を消費する給湯負荷からなる前記熱負荷と、各時間に前記コージェネレーション装置が出力する電力が、その時間に前記電力負荷が消費する電力を超えた場合に、前記コージェネレーション装置が出力する電力の一部を熱に変換する電熱変換装置と、を備えており、前記有効消費エネルギーを算出する場合において、前記負荷記憶手段に格納された各時間帯における消費電力の予測値に基づき、各時間帯に前記コージェネレーション装置が出力する電力量のうち前記電熱変換装置において消費される電力量及び前記電熱変換装置が出力する熱量を推算し、各時間帯に前記コージェネレーション装置が出力する電力量から前記コージェネレーション・システム内における損失電力量及び前記電熱変換装置において消費される電力量を差し引いた値を前記電力負荷が利用可能な電力量として推算し、前記負荷記憶手段に格納された各時間帯における暖房負荷の消費熱量の予測値の所定の割合を当該時間帯における前記暖房負荷における排熱の仮消費熱量と推算するとともに、当該時間帯において前記コージェネレーション装置が出力する熱量及び前記電熱変換装置が出力する熱量の和であるシステム熱出力が前記暖房負荷の仮消費熱量よりも大きい場合には、前記暖房負荷の仮消費熱量を前記暖房負荷で利用可能な熱量として推算し、前記システム熱出力が前記暖房負荷の仮消費熱量よりも小さい場合には、前記システム熱出力を前記暖房負荷で利用可能な熱量として推算し、前記システム熱出力から前記暖房負荷で利用可能な熱量を差し引いた値を前記蓄熱装置に供給される供給蓄熱量として推算し、前記負荷記憶手段に格納された各時間帯における熱負荷の消費熱量の予測値に基づき、前記供給蓄熱量のうち蓄熱時に放熱により喪失する放熱損失の推定値を算出し、前記供給蓄熱量から前記放熱損失の推定値を差し引いた値を前記熱負荷で利用可能な熱量として推算することを特徴とする。
【００３６】
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前記第１乃至５の何れか一の構成からなる出力制御装置として動作させることを特徴とする。
【００３７】
【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（ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ。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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
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。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、有効消費エネルギー算出手段３３、省エネ性評価手段３４、発電出力最適化手段３５、運転計画記憶手段３６、及びシステム制御手段３７を有している。
【００４８】
負荷消費量予測手段３１は、消費電力検出手段３９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４０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４１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３９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４０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４１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。
【００４９】
有効消費エネルギー算出手段３３は、負荷記憶手段３２に記憶された各時間帯ｎにおける電力負荷、暖房負荷、及び給湯負荷の消費電力量又は消費熱量の予測値Ｗｐ（ｎ），Ｑｈ（ｎ），Ｑｓ（ｎ）に基づき、有効消費エネルギーＥｅｆｆ（ｎ）を算出する。ここに、「有効消費エネルギー」とは、ＦＣ２が出力する電力量及び熱量のうち電力負荷、暖房負荷、及び給湯負荷において利用可能な電力量及び熱量の総和をいう。
【００５０】
省エネ性評価手段３４は、有効消費エネルギー算出手段３３が算出した有効消費エネルギーＥｅｆｆ（ｎ）に対する一次エネルギーＥ（０）ｅｆｆ（ｎ）と、有効消費エネルギーＥｅｆｆ（ｎ）との差である省エネ量Ｅｓａｖ（ｎ）＝Ｅ（０）ｅｆｆ（ｎ）−Ｅｅｆｆ（ｎ）を算出する。ここで、「一次エネルギー」とは、有効消費エネルギーを商用電源又は通常の暖房器若しくは給湯器により賄った場合に発電所や暖房器、給湯器で必要とされるエネルギー量をいう。
【００５１】
発電出力最適化手段３５は、有効消費エネルギー算出手段３３及び省エネ性評価手段３４により、各時間帯ｎにおけるＦＣ２の発電出力Ｗｐ（ｎ）と省エネ量Ｅｓａｖ（ｎ）との関係を算出し、１日における省エネ量の総和ΣＥｓａｖ（ｎ）が最大となるように、各時間帯ｎにおいてＦＣ２の発電出力Ｗｐ（ｎ）を決定し、運転計画記憶手段３６に格納する。発電出力最適化手段３５による発電出力Ｗｐ（ｎ）の具体的な決定方法については後述する。
【００５２】
システム制御手段３７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３７は、ＦＣ運転制御手段３８を有している。ＦＣ運転制御手段３８は、運転計画記憶手段３６に格納された１日の発電出力｛Ｗｐ（ｎ）；ｎ＝０，…，２３｝に従ってＦＣ２の発電出力の制御を行う。
【００５３】
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、本実施形態において有効消費エネルギー算出手段３３が、有効消費エネルギー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し、その後、出力制御装置３０の動作の詳細について説明する。
【００５４】
〔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。
【００５５】
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】
2005012906.tif 000003
【００５６】
（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。
【００５７】
（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】
2005012906.tif 000004
【００５８】
（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】
2005012906.tif 000005
【００５９】
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】
2005012906.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】
2005012906.tif 000007
【００６０】
（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】
2005012906.tif 000008
【００６１】
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】
2005012906.tif 000009
【００６２】
（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。
【００６３】
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】
2005012906.tif 000010
【００６４】
（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。
【００６５】
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】
2005012906.tif 000011
【００６６】
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】
2005012906.tif 000012
【００６７】
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】
2005012906.tif 000013
【００６８】
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】
2005012906.tif 000014
【００６９】
（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】
2005012906.tif 000015
【００７０】
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。
【００７１】
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】
2005012906.tif 000016
【００７２】
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】
2005012906.tif 000017
【数１６】
2005012906.tif 000018
【００７３】
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】
2005012906.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】
2005012906.tif 000020
【数１９】
2005012906.tif 000021
【００７４】
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。
【００７５】
〔２〕出力制御装置の動作の詳細
本実施形態における出力制御方法の概要は、発電出力最適化手段３５が、
（ａ）まず、１日の総ての時間帯において省エネ量が最大となるＦＣ２の発電量を求め、それを仮最適化発電量｛Ｗｆｃ（ｔｅｍｐ）（ｎ）；  ｎ＝０，…，２３｝とする。
（ｂ）そして、これらの仮最適化発電量｛Ｗｆｃ（ｔｅｍｐ）（ｎ）；  ｎ＝０，…，２３｝のうちで、省エネ量が最大となる時間帯ｍを選択し、その時間帯ｍにおける仮最適化発電量Ｗｆｃ（ｔｅｍｐ）（ｍ）を、時間帯ｍにおける最適化発電量Ｗｆｃ（ｓｕｉｔ）（ｍ）として決定する。
（ｃ）そして、既に最適化発電量が決定された時間帯におけるＦＣ２の発電量をその決定された最適化発電量とした上で、まだ最適化発電量が決定されていない時間帯について（ａ）（ｂ）の処理を行う。
【００７６】
このような（ａ）〜（ｃ）の処理を、総ての時間帯について最適化発電量が決定されるまで繰り返すことにより、各時間帯におけるＦＣ２の発電量を決定し、これを運転計画記憶手段３６に格納する。
【００７７】
以下、上記出力制御方法についての詳細を説明する。
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。
【００７８】
まず、発電出力最適化手段３５は、時刻０（時間帯０の開始時刻）において、タンク貯湯分給湯負荷補正処理を行う（Ｓ１）。ここで、「タンク貯湯分給湯負荷補正処理」とは、時刻０において成層式貯湯槽８に蓄熱されている熱量がある場合、その蓄熱量の一部は、後の時間帯における給湯負荷で消費する熱量として利用することができることから、後の時間帯における給湯負荷熱量｛Ｗｓ（ｎ）｝から時刻０において成層式貯湯槽８に蓄熱されている熱量の寄与分をあらかじめ除いておく処理である。また、本実施形態においては、各時間帯においてＦＣ２の運転を停止することなく、常に少なくとも最低発電電力量Ｗｆｃｍｉｎ以上の電力量を出力し続けるため、タンク貯湯分給湯負荷補正処理においては、この最低発電電力量ＷｆｃｍｉｎでＦＣ２が運転されたときに生じる排熱の給湯負荷熱量への寄与分もあらかじめ除いておく。なお、ここでいう時刻０とは、１日のうちの所定の時刻（例えば、０時）であってもよいし、各時間帯が経過した時点であってもよい。尚、タンク貯湯分給湯負荷補正処理の詳細は以下の通りである。
【００７９】
図５はタンク貯湯分給湯負荷補正処理のフローチャートである。
まず、発電出力最適化手段３５は、成層式貯湯槽８の蓄熱量Ｑｒｔを、時刻０における成層式貯湯槽８の蓄熱量Ｑｒｔ０に初期化する（Ｓ２１）。次に、時間帯ｎを０に設定する（Ｓ２２）。そして、ＦＣ２が最低発電電力量Ｗｆｃｍｉｎで作動した場合に新たに成層式貯湯槽８に供給される熱量（以下、「最低貯湯供給熱量」という。）Ｑｉ（ｎ）、及び成層式貯湯槽８の蓄熱量Ｑｒｔを時間帯ｎにおける成層式貯湯槽８の放熱量により蓄熱量Ｑｒｔの値を更新する（Ｓ２３）。すなわち、Ｑｒｔの値を（１−ｒ）［Ｑｒｔ＋Ｑｉ（ｎ）］で更新する。但し、ｒは放熱係数である。
【００８０】
次に、更新後の成層式貯湯槽８の蓄熱量Ｑｒｔが給湯負荷熱量Ｑｓ（ｎ）よりも大きいか否かを判定する（Ｓ２４）。
【００８１】
ここで、Ｑｒｔ≧Ｑｓ（ｎ）の場合には、給湯負荷が消費する熱量には、総て成層式貯湯槽８に蓄熱された蓄熱量Ｑｒｔが割り当てられる。従って、蓄熱量Ｑｒｔは給湯負荷熱量Ｑｓ（ｎ）分だけ減少する。すなわち、Ｑｒｔの値をＱｒｔ−Ｑｓ（ｎ）で更新する（Ｓ２５）。そして、給湯負荷が消費する熱量は蓄熱量Ｑｒｔにより賄われ、外部からの供給は必要としないので、給湯負荷熱量Ｑｓ（ｎ）は０に更新される（Ｓ２６）。
【００８２】
一方、ステップＳ２４において、Ｑｒｔ＜Ｑｓ（ｎ）の場合には、給湯負荷が消費する給湯負荷熱量Ｑｓ（ｎ）には、成層式貯湯槽８に蓄熱された蓄熱量Ｑｒｔと補助熱源９から供給される熱量とによって賄われる。従って、給湯負荷熱量Ｑｓ（ｎ）の値はＱｓ（ｎ）−Ｑｒｔに更新され（Ｓ２７）、蓄熱量Ｑｒｔの値は０に更新される（Ｓ２８）。
【００８３】
以上のようなステップＳ２３〜Ｓ２８までの処理を、時間帯ｎの値が０から４７に至るまで１づつ増加させながら行い（Ｓ２９）、終了する。
以上により、タンク貯湯分給湯負荷補正処理は終了する。
【００８４】
図４の説明に戻って、次に、発電出力最適化手段３５は、まず、時間帯ｎをｎ＝０に設定する（Ｓ２）。そして、時間帯ｎは、既にＦＣ２の最適化発電量が決定済であるか否かを判定する（Ｓ３）。ここで、時間帯ｎにおいて既にＦＣ２の最適化発電量が決定済の場合には、ステップＳ６の処理に移行する。尚、最初の状態では総ての時間帯においてＦＣ２の最適化発電量は決定されていない。
【００８５】
次に、発電出力最適化手段３５は、有効消費エネルギー算出手段３３及び省エネ性評価手段３４により、時間帯ｎに関してＦＣ２の発電量Ｗｆｃ（ｎ）を、ΔＷｆｃ刻みでＷｆｃｍｉｎ〜Ｗｆｃｍａｘの間で変化させ、各ＦＣ２の発電量Ｗｆｃ（ｎ）に対して省エネ量Ｅｓａｖ（ｎ，  Ｗｆｃｍｉｎ）〜Ｅｓａｖ（ｎ，  Ｗｆｃｍａｘ）を算出する（Ｓ４）。尚、省エネ量等の算出方法については、上記「〔１〕省エネ量算出モデル」の欄で既に説明したので、ここでは説明は省略する。
【００８６】
図６はＦＣの発電量と省エネ量及び省エネ度との関係の一例を表す図である。図のように、ＦＣ２の発電量が低い場合には、補機消費電力等の影響が大きくなるため、省エネ量及び省エネ度は低くなる。一方、ＦＣ２の発電量が大きくなると省エネ量及び省エネ度は高くなるが、ある発電量でピークとなり、それよりＦＣ２の発電量を大きくすると逆に省エネ量及び省エネ度は低下する。これは、ＦＣ２から出力される排熱量や余剰電力ヒータ５の発生する熱量が大きくなり、これらの熱量が暖房負荷や給湯負荷の消費熱量を超えて、成層式貯湯槽８での放熱によって失われる熱量が増えるためである。
【００８７】
図４の説明に戻って、次に、発電出力最適化手段３５は、計算した省エネ量Ｅｓａｖ（ｎ，  Ｗｆｃｍｉｎ）〜Ｅｓａｖ（ｎ，  Ｗｆｃｍａｘ）のうちから最大のものＥｓａｖ（ｎ，  Ｗｆｃ（ｔｍｐ）（ｎ））を選択し、これを仮最適化省エネ量として記憶する。そして、その仮最適省エネ量Ｅｓａｖ（ｎ，  Ｗｆｃ（ｔｍｐ）（ｎ））に対応する発電量Ｗｆｃ（ｔｍｐ）（ｎ）を仮最適化発電量として記憶する（Ｓ５）。
【００８８】
そして、ｎを１だけ繰り上げた後、ｎの値が２３以下であれば、ステップＳ３に戻り、ｎの値が２３を超えたときには、次のステップＳ７に移行する（Ｓ６）。
【００８９】
ステップＳ７においては、発電出力最適化手段３５は、既にＦＣ２の最適化発電量が決定済の時間帯を除外した各時間帯ｊのうちから、仮最適省エネ量Ｅｓａｖ（ｎ，  Ｗｆｃ（ｔｍｐ）（ｊ））が最大である時間帯ｍを選択する（Ｓ７）。そして、選択された時間帯ｍの仮最適化発電量Ｗｆｃ（ｔｍｐ）（ｍ）を、その時間帯ｍにおける最適化発電量Ｗｆｃ（ｓｕｉｔ）（ｍ）として決定し、運転計画記憶手段３６に格納する。そして、選択された時間帯ｍは、最適化発電量が決定済であるとする（Ｓ８）。
【００９０】
上記選択された時間帯ｍにおける最適化発電量Ｗｆｃ（ｓｕｉｔ）（ｍ）に対して、その時間帯ｍにおける成層式貯湯槽８への貯湯供給熱量Ｑｔ（ｍ）が決定される。従って、発電出力最適化手段３５は、この決定された貯湯供給熱量Ｑｔ（ｍ）に基づいて、時間帯ｍ以降の時間帯ｉにおける給湯負荷熱量Ｑｓ（ｉ）の補正を行う（Ｓ９）。尚、この給湯負荷熱量補正処理の詳細は以下の通りである。
【００９１】
図７は給湯負荷熱量補正処理のフローチャートである。
まず、発電出力最適化手段３５は、時間帯ｍにおける蓄熱補正量Ｑａの値を、時間帯ｍにおける貯湯供給熱量Ｑｔ（ｍ）から最低貯湯供給熱量Ｑｉ（ｍ）を引いた値Ｑｔ（ｍ）−  Ｑｉ（ｍ）により初期化する（Ｓ６１）。
【００９２】
次に、時間帯ｉをｍに設定する（Ｓ６２）。そして、蓄熱補正量Ｑａが給湯負荷熱量Ｑｓ（ｉ）以上であるか否かを判定する（Ｓ６３）。
【００９３】
ここで、Ｑａ≧Ｑｓ（ｉ）の場合には、給湯負荷が消費する熱量には、総て成層式貯湯槽８に蓄熱された蓄熱量が割り当てられる。従って、蓄熱補正量Ｑａは給湯負荷熱量Ｑｓ（ｉ）分と放熱による損失分だけ減少する。すなわち、Ｑａの値を（１−ｒ）［Ｑｓ−Ｑｓ（ｉ）］で更新する（Ｓ６４）。そして、給湯負荷が消費する熱量は成層式貯湯槽８の蓄熱量により賄われ、外部からの供給は必要としないので、給湯負荷熱量Ｑｓ（ｉ）は０に更新される（Ｓ６５）。そして、ｉを１だけ増加し、ｉが４７以下であれば、再びステップＳ６３の処理に戻る。ｉが４７を超えた場合には、給湯負荷熱量補正処理を終了する。
【００９４】
一方、ステップＳ６３において、Ｑａ＜Ｑｓ（ｉ）の場合には、給湯負荷が消費する給湯負荷熱量Ｑｓ（ｉ）には、成層式貯湯槽８に蓄熱された蓄熱量と補助熱源９から供給される熱量とによって賄われる。従って、給湯負荷熱量Ｑｓ（ｉ）の値はＱｓ（ｉ）−Ｑａに更新され（Ｓ６７）、蓄熱補正量Ｑａの値は０に更新される（Ｓ６８）。ここで、蓄熱補正量Ｑａの値が０となった以上は、それ以降の時間帯については補正の必要がないので、給湯負荷熱量補正処理を終了する。
【００９５】
図４の説明に戻って、次に、発電出力最適化手段３５は、１日の全時間帯について最適化発電量が決定済であるか否かを判断する（Ｓ１０）。全時間帯について最適化発電量が決定済ではなければ、ステップＳ２の処理に戻る。全時間帯について最適化発電量が決定済ならば、全時間帯における最適化発電量Ｗｆｃ（ｓｕｉｔ）（ｍ）の算出処理を終了する。
【００９６】
以上説明した一連の処理によって、現時点以降の１日の総ての時間帯におけるＦＣ２の最適化発電量｛  Ｗｆｃ（ｓｕｉｔ）（ｎ）；  ｎ＝０，…，２３｝が決定され、運転計画記憶手段３６に格納される。そこで、ＦＣ運転制御手段３８は、運転計画記憶手段３６に格納された最適化発電量に従って、ＦＣ２の発電量を制御する。従って、コージェネレーション・システム１は、常に省エネ量が最大の状態で運転されることとなる。
【００９７】
尚、本実施形態においては、ステップＳ４、ステップＳ５、ステップＳ７において、最適化発電量を決める評価基準値として省エネ量を使用したが、本発明は評価基準値として省エネ度を使用することも可能である。
【００９８】
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。
【００９９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、消費電力量のみならず消費熱量も含めてコージェネレーション装置の省エネ量又は省エネ度が最大となるように最適化することができる。従って、従来よりも省エネルギー性に優れたコージェネレーション・システムの制御を行うことが可能となる。
【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】本発明の実施形態１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】図５はタンク貯湯分給湯負荷補正処理のフローチャートである。
【図６】図６はＦＣの発電量と省エネ量及び省エネ度との関係の一例を表す図である。
【図７】給湯負荷熱量補正処理のフローチャートである。
【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  有効消費エネルギー算出手段
３４  省エネ性評価手段
３５  発電出力最適化手段
３６  運転計画記憶手段
３７  システム制御手段
３８  ＦＣ運転制御手段
３９  消費電力検出手段
４０  暖房負荷熱量検出手段
４１  給湯負荷熱量検出手段
【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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