(57)【要約】【課題】蓄熱タンクの有無にかかわらず、段階的出力運転を行う段階的な出力値及びその出力時間範囲を効率的かつ効果的に判定して、より省エネ性、高効率性及び高耐久性を発揮する運転制御を実現することができる家庭用コージェネレーションシステムの運転制御システムを提供すること。【解決手段】家庭用コージェネレーションシステム１Ａに、電力負荷のサンプリング値について所定時間毎に偏差を算出して記憶する電力負荷処理手段２４と、各時間帯における所定の日数間の偏差を算出して記憶する定時偏差処理手段２７と、所定の条件に基づいて読み出した電力負荷偏差及び電力負荷定時偏差に基づいて燃料電池８の運転方法を負荷追従運転又は段階的出力運転から選択する運転方法選択手段２８と、を有し、運転方法選択手段２８は電力負荷偏差及び電力負荷定時偏差がそれぞれ所定のしきい値以下であるときに段階的出力運転を選定する。【選択図】  図２
2005032452.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電に伴って熱を発生する熱電併給装置と、前記熱電併給装置が発生した熱を蓄熱する蓄熱装置と、前記熱電併給装置が発生した熱が不足するときに、熱を補助的に発生する補助加熱装置と、前記熱電併給装置が発生した発電出力が不足するときに、電力を買電する買電装置と、前記熱電併給装置、前記蓄熱装置、前記補助加熱装置の動作を制御する制御装置と、を備え、一定間隔でサンプリングした電力負荷と熱負荷のサンプリング値を積算した電力負荷積算値及び熱負荷積算値を記憶するとともに、そのサンプリング値に基づいて前記熱電併給装置の運転方法を決定する家庭用コージェネレーションシステムの運転制御システムにおいて、
電力負荷のサンプリング値についての所定時間毎の偏差である電力負荷偏差を算出し、電力負荷偏差データベースに記憶する電力負荷処理手段と、
各時間帯における電力負荷積算値の所定の条件の日数間の偏差である電力負荷定時偏差を算出し、電力負荷定時偏差データベースに記憶する定時偏差処理手段と、
電力負荷偏差と電力負荷定時偏差をそれぞれ所定の条件に基づいて読み出し、読み出した電力負荷偏差及び電力負荷定時偏差をそれぞれ所定のしきい値と比較することにより前記熱電併給装置の運転方法を負荷追従運転または段階的出力運転のいずれかより選択する運転方法選択手段と、を有し、
前記運転方法選択手段は、電力負荷偏差及び電力負荷定時偏差がそれぞれ所定のしきい値以下であるときには段階的出力運転を選択すること、を特徴とする家庭用コージェネレーションシステムの運転制御システム。
【請求項２】
発電に伴って熱を発生する熱電併給装置と、前記熱電併給装置が発生した熱を蓄熱する蓄熱装置と、前記熱電併給装置が発生した熱が不足するときに、熱を補助的に発生する補助加熱装置と、前記熱電併給装置が発生した発電出力が不足するときに、電力を買電する買電装置と、前記熱電併給装置が発生した余剰電力を熱に変換する熱電変換装置と、前記熱電併給装置、前記蓄熱装置、前記補助加熱装置、前記熱電変換装置の動作を制御する制御装置と、を備え、一定間隔でサンプリングした電力負荷と熱負荷のサンプリング値を積算した電力負荷積算値及び熱負荷積算値を記憶するとともに、そのサンプリング値に基づいて前記熱電併給装置の運転方法を決定する家庭用コージェネレーションシステムの運転制御システムにおいて、
電力負荷のサンプリング値についての所定時間毎の偏差である電力負荷偏差を算出し、電力負荷偏差データベースに記憶する電力負荷処理手段と、
各時間帯における電力負荷積算値の所定の条件の日数間の偏差である電力負荷定時偏差を算出し、電力負荷定時偏差データベースに記憶する定時偏差処理手段と、
電力負荷偏差と電力負荷定時偏差をそれぞれ所定の条件に基づいて読み出し、読み出した電力負荷偏差及び電力負荷定時偏差をそれぞれ所定のしきい値と比較することにより前記熱電併給装置の運転方法を負荷追従運転または段階的出力運転のいずれかより選択する運転方法選択手段と、を有し、
前記運転方法選択手段は、電力負荷偏差及び電力負荷定時偏差がそれぞれ所定のしきい値以下であるときには段階的出力運転を選択すること、を特徴とする家庭用コージェネレーションシステムの運転制御システム。
【請求項３】
請求項２に記載する家庭用コージェネレーションシステムの運転制御システムにおいて、
各時間帯における熱負荷積算値の所定の条件の日数間の偏差である熱負荷定時偏差を算出し、熱負荷定時偏差データベースに記憶する熱偏差処理手段と、
熱負荷定時偏差を所定の条件に基づいて読み出し、読み出した熱負荷定時偏差に基づいて前記熱電併給装置の段階的出力運転時の発電出力を増大させる増大時間帯を選定する蓄熱パターン選定手段と、を有すること、を特徴とする家庭用コージェネレーションシステムの運転制御システム。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載する家庭用コージェネレーションシステムの運転制御システムにおいて、
前記熱電併給装置が段階的出力運転により所定の出力電力で運転されているときに、電力負荷のサンプリング値がその出力電力に対して所定割合あるいは所定電力値幅を超えて変化した場合、あるいは、電力負荷偏差が所定値に対して所定割合あるいは所定値幅を超えて変化した場合には、前記熱電併給装置に負荷追従運転を行わせる運転方法変更手段を有すること、を特徴とする家庭用コージェネレーションシステムの運転制御システム。
【請求項５】
請求項４に記載する家庭用コージェネレーションシステムの運転制御システムにおいて、
前記運転方法変更手段によって運転方法が変更された後、電力負荷のサンプリング値が段階的出力運転により出力される予定の出力電力に対して所定割合あるいは所定電力値幅以内の変化に戻り、かつ、電力負荷偏差が所定値以内である場合には前記熱電併給装置に段階的出力運転を行わせる運転方法返戻手段を有すること、を特徴とする家庭用コージェネレーションシステムの運転制御システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力と熱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家庭用コージェネレーションシステムの運転を制御する家庭用コージェネレーションシステムの運転制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
家庭用コージェネレーションシステムは、家庭毎に設置して、発電した電力を供給するとともに、排熱を回収して、給湯や暖房用途を賄えることから、次世代の省エネ機器として、その実用化・普及が期待されている。
コジェネレーションシステムについては、業務用・産業用など大規模のものは、すでに普及レベルにあるが、家庭用への導入に際しては、幾つかの障壁がある。すなわち、業務用・産業用コジェネレーションシステムは、使用者の負荷パターンを十分調査し、それに合わせた、システム構成やサイズ、運転パターンなどを設計する、いわゆるオーダーメードである。それに対し、家庭用コージェネレーションシステムは、各家庭で消費エネルギー量がかなりバラツキがあるものの、現在のところ、１ｋＷの１機種或いは２機種程度のラインナップである。各家庭の電力負荷や熱負荷は、例えば、夜型と朝型の生活パターンや外出の多少などによって大きく異なり、使用者毎の負荷パターンを調査して家庭用コージェネレーションシステムの出力サイズや構成を設計することは、コスト面から難しい。
仮に家庭用コージェネレーションシステムを個々に設計することが可能であっても、家庭用コージェネレーションシステムは、新築あるいは増改築された新規物件に導入されることが多く、システム導入前に使用者の負荷パターンを把握することは困難であり、大きなコストもかかる。そうしたことから、家庭用コージェネレーションシステムには、使用者の負荷パターンに応じ、自動で最適な運転パターンを模索・決定し、省エネ性、経済性を最大限に発揮できるような運転制御システムが求められている。
【０００３】
かかる家庭用コージェネレーションシステムの運転制御システムとして、例えば、特許文献１に示すものがある。この家庭用コージェネレーションシステムの運転制御システムによれば、１日間など、１周期となる所定時間の電力負荷と熱負荷の経時変化を電力負荷パターン及び熱負荷パターンとして記憶しておき、電力負荷パターンと熱負荷パターンとに基づいてガスエンジン等の熱電併給装置を運転した場合の省エネ性を求め、省エネ性の高い時間帯では、電力負荷を発電出力で賄い、省エネ性の低い時間帯では、電力負荷を商用電力で賄うように熱電併給装置の起動時刻と停止時刻を決定し、運転パターンを作成するので、発電効率を高めるとともに、余剰電力の発生を抑制し、発電効率を向上させることができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２１３３０３号公報（段落００５５〜００７４、図８、図９参照。）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記文献に記載の従来の家庭用コージェネレーションシステムの運転制御システムでは、余剰電力を熱変換して回収できる蓄熱タンクを有していることを前提としている。そして、所定の時間間隔では一定の発電量で発電し、その発電量を複数段に設定して段階的に変化させる段階的出力運転を行い、電力需要が設定発電量より小さいときには、その余剰電力を熱変換して蓄熱タンクに回収している。一方、設置スペース等の問題から蓄熱タンクを有していないシステムの場合では、この段階的出力運転を行うと余剰電力が系統電力に逆潮することとなるので、電力負荷に追従した発電量で発電する負荷追従運転を行うことが一般的である。
【０００６】
しかし、一般に段階的出力運転の方が負荷追従運転に比して、装置の耐久性や効率性の面で優位である。特に、熱電併給装置として燃料電池システムを使用する場合にはその差が顕著なものとなる。これは、電力負荷追従運転では、瞬時に変化する電力負荷に合わせて細かく、燃料電池システムの各部を変化させる必要があるからである。具体的には、燃料電池スタックでの発電負荷や燃料改質装置の改質負荷、さらには燃料や水を供給する補機類（ガスやエアのブロワーや水ポンプなど）の負荷を瞬時に変化させる必要がある。これは、燃料電池の主要部や補機部の耐久性に大きく影響を与えるものであり、この点からも、できる限り一定出力での運転が望まれる。
【０００７】
また、電力負荷がある程度一定であれば、燃料電池システムの発電効率及び熱回収効率は、負荷追従運転よりも段階的運転の方がよくなる。これは、負荷追従運転において発電出力を上げ下げする場合に、燃料に無駄が生じるからである。つまり、発電出力を急速に上げる場合には、その上昇に合わせて燃料を少しずつ余分に投入していく。また、発電出力を急速に下げる場合には、その降下よりも燃料は少し緩やかに減少させていく。これらのことが累積すると、負荷追従運転では段階的出力運転に比較して、発電効率が若干低いものとなる。この点からも、できる限り段階的出力運転での運転が望まれる。
【０００８】
その一方で、段階的出力運転のみとして発電出力を固定してしまうと、発電出力と電力負荷との差が大きくなる。そのため、発電出力が大きくなりすぎると電力逆潮分が大きくなる。また、電力負荷よりもかなり低い発電しかしなければ、買電量が大きくなる。すなわち、負荷追従運転のみで長期間運転することは好ましくない一方で、段階的出力運転のみとすることも好ましくないという問題点があった。
【０００９】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、蓄熱タンクの有無にかかわらず、段階的出力運転を行う段階的な出力値及びその出力時間範囲を効率的かつ効果的に判定して、より省エネ性、高効率性及び高耐久性を発揮する運転制御を実現することができる家庭用コージェネレーションシステムの運転制御システムを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本願発明は次のような構成を有する。
（１）発電に伴って熱を発生する熱電併給装置と、熱電併給装置が発生した熱を蓄熱する蓄熱装置と、熱電併給装置が発生した熱が不足するときに、熱を補助的に発生する補助加熱装置と、熱電併給装置が発生した発電出力が不足するときに、電力を買電する買電装置と、熱電併給装置、蓄熱装置、補助加熱装置の動作を制御する制御装置と、を備え、一定間隔でサンプリングした電力負荷と熱負荷のサンプリング値を積算した電力負荷積算値及び熱負荷積算値を記憶するとともに、そのサンプリング値に基づいて熱電併給装置の運転方法を決定する家庭用コージェネレーションシステムの運転制御システムにおいて、電力負荷のサンプリング値についての所定時間毎の偏差である電力負荷偏差を算出し、電力負荷偏差データベースに記憶する電力負荷処理手段と、各時間帯における電力負荷積算値の所定の条件の日数間の偏差である電力負荷定時偏差を算出し、電力負荷定時偏差データベースに記憶する定時偏差処理手段と、電力負荷偏差と電力負荷定時偏差をそれぞれ所定の条件に基づいて読み出し、読み出した電力負荷偏差及び電力負荷定時偏差をそれぞれ所定のしきい値と比較することにより熱電併給装置の運転方法を負荷追従運転または段階的出力運転のいずれかより選択する運転方法選択手段と、を有し、運転方法選択手段は、電力負荷偏差及び電力負荷定時偏差がそれぞれ所定のしきい値以下であるときには段階的出力運転を選択すること、を特徴とする。
【００１１】
（２）発電に伴って熱を発生する熱電併給装置と、熱電併給装置が発生した熱を蓄熱する蓄熱装置と、熱電併給装置が発生した熱が不足するときに、熱を補助的に発生する補助加熱装置と、熱電併給装置が発生した発電出力が不足するときに、電力を買電する買電装置と、熱電併給装置が発生した余剰電力を熱に変換する熱電変換装置と、熱電併給装置、蓄熱装置、補助加熱装置、熱電変換装置の動作を制御する制御装置と、を備え、一定間隔でサンプリングした電力負荷と熱負荷のサンプリング値を積算した電力負荷積算値及び熱負荷積算値を記憶するとともに、そのサンプリング値に基づいて熱電併給装置の運転方法を決定する家庭用コージェネレーションシステムの運転制御システムにおいて、電力負荷のサンプリング値についての所定時間毎の偏差である電力負荷偏差を算出し、電力負荷偏差データベースに記憶する電力負荷処理手段と、各時間帯における電力負荷積算値の所定の条件の日数間の偏差である電力負荷定時偏差を算出し、電力負荷定時偏差データベースに記憶する定時偏差処理手段と、電力負荷偏差と電力負荷定時偏差をそれぞれ所定の条件に基づいて読み出し、読み出した電力負荷偏差及び電力負荷定時偏差をそれぞれ所定のしきい値と比較することにより熱電併給装置の運転方法を負荷追従運転または段階的出力運転のいずれかより選択する運転方法選択手段と、を有し、運転方法選択手段は、電力負荷偏差及び電力負荷定時偏差がそれぞれ所定のしきい値以下であるときには段階的出力運転を選択すること、を特徴とする。
【００１２】
（３）（２）に記載の発明において、各時間帯における熱負荷積算値の所定の条件の日数間の偏差である熱負荷定時偏差を算出し、熱負荷定時偏差データベースに記憶する熱偏差処理手段と、熱負荷定時偏差を所定の条件に基づいて読み出し、読み出した熱負荷定時偏差に基づいて熱電併給装置の段階的出力運転時の発電出力を増大させる増大時間帯を選定する蓄熱パターン選定手段と、を有すること、を特徴とする。
【００１３】
（４）（１）乃至（３）に記載の発明において、熱電併給装置が段階的出力運転により所定の出力電力で運転されているときに、電力負荷のサンプリング値がその出力電力に対して所定割合あるいは所定電力値幅を超えて変化した場合、あるいは、電力負荷偏差が所定値に対して所定割合あるいは所定値幅を超えて変化した場合には、熱電併給装置に負荷追従運転を行わせる運転方法変更手段を有すること、を特徴とする。
【００１４】
（５）（４）に記載の発明において、運転方法変更手段によって運転方法が変更された後、電力負荷のサンプリング値が段階的出力運転により出力される予定の出力電力に対して所定割合あるいは所定電力値幅以内の変化に戻り、かつ、電力負荷偏差が所定値以内である場合には熱電併給装置に段階的出力運転を行わせる運転方法返戻手段を有すること、を特徴とする。
【００１５】
続いて、上記構成を有する発明の作用について説明する。
先ず、この家庭用コージェネレーションシステムの運転制御システムでは、電力負荷のサンプリング値を所定時間分積算してた電力負荷積算値を記憶するとともに、所定時間毎のサンプリング値の偏差（電力負荷偏差）を算出して電力負荷偏差データベースに記憶する。さらに、各時間帯における電力負荷積算値に関して、所定の条件の日数間での偏差（電力負荷定時偏差）を算出して電力負荷定時偏差データベースに記憶する。すなわち、電力負荷の変化の仕方について、１日のある時間帯の電力負荷積算値に対する瞬時電力負荷のバラツキと、同じ時間帯でも複数日数間での電力負荷積算値（あるいは平均値）のバラツキとをそれぞれ数値化するのである。ここで、電力負荷定時偏差を算出する所定の条件としては、例えば、同曜日１ヶ月分であるとか、平日のみ過去１０日間分等でよく、また、曜日や季節によって異なる条件を採用してもよい。
【００１６】
次に、それぞれのデータベースから所定の条件に対応する電力負荷偏差と電力負荷定時偏差を読み出し、それぞれ所定のしきい値と比較する。その結果、電力負荷偏差と電力負荷定時偏差がそれぞれ所定のしきい値以下であるときには、段階的出力運転を選択し、それ以外の時間帯には負荷追従運転を選択する。つまり、１日のある時間帯の中でのバラツキの小さい時間帯であり、さらに他の日と比べてもその電力負荷積算値のバラツキの小さい時間帯のみを段階的出力運転の時間帯として選択するのである。なお、このしきい値としては、余剰電力を熱に変換する熱電変換装置を有するシステムの場合と有しないシステムの場合とでは、異なる値を採用してもよい。
【００１７】
従って、本発明によれば、電力負荷の１日のある所定の時間帯のバラツキが比較的小さく、かつ、同時間帯の日によるバラツキが比較的小さい場合に限り、段階的出力運転が選択される。このような時間帯では、例えば、前日のその時間帯における電力負荷の平均値を出力電力として段階的出力運転を行った場合でも、実際に発生する電力負荷がその出力電力と大きく異なるという可能性が小さいからである。逆にそれ以外の時間帯では、実際の電力負荷がその平均値を大きく外れるおそれがあるので、省エネの点からも負荷追従運転を選択することが望ましい。
【００１８】
熱電変換装置を有しないシステムの場合、電力負荷が出力電力を上回れば、買電装置により電力を買電することとなり、電力負荷が出力電力より下回れば、その余剰電力は系統電力へ流れ込むなどすることとなる。一方、熱電変換装置を有するシステムの場合では、電力負荷が出力電力を上回れば、買電装置により電力を買電することとなり、電力負荷が出力電力より下回れば、その余剰電力は熱に変換されて蓄熱されることとなる。いずれの場合においても実際の電力負荷と熱電併給装置の出力電力との間に大きな差があることは、電力逆潮分が大きくなったり買電量が大きくなったりするので、省エネ及び高効率化の点からは好ましくない。この点においても、電力負荷が予想と大きく異なる可能性の高い時間帯には段階的出力運転を選択しないことは合理的である。
【００１９】
これにより、本発明では、電力負荷偏差と電力負荷定時偏差とによって段階的出力運転を行う時間帯を選択するので、その選択は容易であり、段階的出力運転を行う段階的な出力値及びその出力時間範囲を効率的かつ効果的に判定できる。
そして、蓄熱タンクの有無にかかわらず、段階的出力運転と負荷追従運転とを併用することにより、より省エネ性、高効率性及び高耐久性を発揮する運転制御を実現することができる。
【００２０】
ここで、熱電変換装置を有するシステムの場合では、余剰電力を熱に変換して蓄熱できる。そこで、上記のように電力負荷のみを考慮して選定された出力によって発生する熱だけでは、必要な熱負荷に不足する場合には、熱負荷のために発電量を増大させる。そのために、熱負荷のサンプリング値を所定時刻から所定時間分積算した熱負荷積算値の所定の条件の日数間の偏差（熱負荷定時偏差）を算出し、熱負荷定時偏差データベースに記憶する。次に、所定の条件に対応する熱負荷定時偏差を読み出し、読み出した熱負荷定時偏差に基づいて熱電併給装置の段階的出力運転時の発電出力を増大させる増大時間帯を選定する。このようにすれば、熱負荷の発生する時間帯がある程度一定している（熱負荷定時偏差が小さい）場合と、熱負荷の発生する時間帯のバラツキが大きい（熱負荷定時偏差が大きい）場合とを区別して、より適切な増大時間帯を選定することができる。例えば具体的には、熱負荷の発生する時間帯のバラツキが小さい場合には、その時間帯にできるだけ近い時間で発電量を増大させることにより、放熱損を減少させることができる。一方、熱負荷の発生する時間帯のバラツキが大きい場合には、幅広い時間帯で発電量を増大させることにより、いつ熱負荷が発生しても適度に対応できるようにするとよい。
【００２１】
また、電力負荷偏差と電力負荷定時偏差とがともに小さく、段階的出力運転が選定されている場合においても、実際の電力負荷のサンプリング値がその出力電力に対して所定割合あるいは所定電力値幅を超えて大きく変化することもあり得る。このような場合には、段階的出力運転での運転を一時中止して負荷追従運転に変更する。このように、電力負荷が予想を超えて大きく変化した場合には、負荷追従運転に変更するので、発電力の予想外の不足や大きい余剰電力の発生が防止されている。ただし、段階的出力運転による運転が最大出力での運転であり、実際の電力負荷のサンプリング値が最大出力を超えて大きい場合には、負荷追従運転としてもそれより大きい電力値は得られないので変更しなくてもよい。
【００２２】
さらに、このようにして負荷追従運転に変更された場合は、電力負荷のサンプリング値や電力負荷偏差が初めの予想範囲内に戻れば、段階的出力運転に戻される。従って、負荷追従運転での運転が連続してしまうことが防止されている。
【００２３】
【発明の実施の形態】
（第１実施の形態）
次に、本発明の家庭用コージェネレーションシステムの運転制御システムに関し、第１実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、家庭用コージェネレーションシステム１Ａの概略構成図である。
家庭用コージェネレーションシステム１Ａは、燃料電池（「熱電併給装置」に相当するもの。）８で発電した電力を電力機器１９に供給するとともに、発電に伴って発生した熱で加熱した水を貯湯タンク（「蓄熱装置」に相当するもの。）２に貯めて熱機器１１に供給するよう構成されている。
【００２４】
貯湯タンク２は、容量が１００〜２００Ｌのものであり、底部に接続する水道管３から水を供給されて常時満水状態にされている。貯湯タンク２の底部と頂部には、循環配管４が接続し、循環配管４に設置された第１ポンプ５を駆動することにより、貯湯タンク２の水を底部から取り出して上部に戻すようになっている。循環配管４は、第１ポンプ５の下流側に熱交換器６が設置され、熱交換器６を介して熱回収用循環配管７と連結している。熱回収用循環配管７は、最大出力が１ｋＷの燃料電池８に接続し、第２ポンプ９を駆動することにより熱回収用循環配管７を循環する循環水が燃料電池８の排熱を回収するようになっている。従って、燃料電池８が発電しているときに、第１ポンプ５と第２ポンプ９を駆動すれば、燃料電池８の排熱により熱回収用循環配管７の循環水を加熱し、熱交換器６において熱回収用循環配管７の循環水から循環配管４の水に熱伝達して、温水を貯湯タンク２に貯めることができる。
【００２５】
貯湯タンク２の上部には、出力用循環配管１０が接続し、台所や風呂の蛇口や床暖房等の熱機器１１に給湯水又は暖房温水を供給するようになっている。貯湯タンク２内の貯湯温度は貯湯タンク２の側面に取り付けられた温度センサ１２により検出され、熱機器１１への給湯温度は、出力用循環配管１０上に設置された温度センサ４１によって確認される。貯湯温度が給湯温度より高温の場合には、三方弁１３で常温の水道水を加え、また、貯湯温度が給湯温度より低温の場合には、ガスボイラ（「補助加熱装置」に相当するもの。）１４で加熱して給湯するようにしている。尚、貯湯タンク２の貯湯量は、給湯水と水道水の境界面を温度センサ１２で感知することにより検出され、また、水道水の温度は、水道管３に取り付けられた温度センサ２１によって検出され、さらに、給湯水の使用量は、三方弁１３の下流側に設置された流量計１５によって検出されている。
【００２６】
燃料電池８には、発電出力を取り出す電力線１６が接続され、分電盤（「買電装置」に相当するもの。）１７に接続されている。分電盤１７は、商用電力を供給する商用電力線１８にも接続し、発電出力と商用電力とを連系して照明器具、テレビ、エアコン、パソコンなどの電力機器１９に発電出力又は商用電力を供給するようになっている。分電盤１７には、電力計２０が設置され、電力機器１９が消費した電力量を検出している。
燃料電池８、温度センサ１２、三方弁１３、ガスボイラ１４、流量計１５、電力計２０、温度センサ２１，４１等には、マイクロコンピュータ（「制御装置」に相当するもの。）２２Ａが接続され、マイクロコンピュータ２２Ａに格納された運転制御プログラムを実行することにより燃料電池８の運転を制御している。
【００２７】
図２は、マイクロコンピュータ２２Ａのブロック図である。
マイクロコンピュータ２２Ａは、学習機能を備え、電力負荷積算手段２３、電力負荷処理手段２４、熱負荷積算手段２５、熱負荷処理手段２６、定時偏差処理手段２７、運転方法選択手段２８、運転パターン選定手段２９、運転方法変更手段３０、運転方法返戻手段３１などを備える。また、マイクロコンピュータ２２Ａは、データベース３４に接続され、必要に応じてその内容を参照・書換できるようにされている。データベース３４は、電力積算負荷、熱積算負荷、電力負荷偏差、熱負荷偏差などの各種のデータを一定条件（例えば、１週間分ごと、曜日ごと、季節ごとなど）のもとでデータベース化して保持している。
【００２８】
電力負荷積算手段２３は、電力機器１９が使用する電力負荷を電力計２０により一定時間間隔でサンプリングし、そのサンプリング値を積算して、データベース３４に含まれる電力積算負荷データベースに上書きするものである。
電力負荷処理手段２４は、電力計２０によってサンプリングされた電力負荷のサンプリング値について所定時間毎に偏差を算出し、データベース３４に含まれる電力負荷偏差データベースに上書きするものである。
【００２９】
熱負荷積算手段２５は、温度センサ１２と流量計１５により給湯温度と給湯流量を一定時間間隔でサンプリングし、給湯温度と給湯流量から熱機器１１が消費した熱負荷を算出し、その熱負荷を積算してデータベース３４に含まれる熱積算負荷データベースに上書きするものである。
熱負荷処理手段２６は、給湯温度と給湯流量から算出した熱負荷について所定時間毎に偏差を算出し、データベース３４に含まれる熱負荷偏差データベースに記憶された既存の熱負荷偏差を書き換えるものである。
【００３０】
定時偏差処理手段２７は、電力負荷積算手段２３によって記憶された各時間帯における電力負荷積算値について、同曜日一ヶ月分あるいは最近一週間分等の複数の日数間での偏差を算出し、データベース３４に含まれる電力負荷定時偏差データベースに記憶された既存の電力負荷定時偏差を書き換えるものである。
運転方法選択手段２８は、電力負荷偏差と電力負荷定時偏差を所定の条件に基づいて読み出し、読み出した電力負荷偏差と電力負荷定時偏差に基づいて各時間間隔における燃料電池８の運転方法を、負荷追従運転と段階的出力運転のうちから選択するものである。
【００３１】
運転パターン選定手段２９は、電力負荷と電力負荷偏差を所定の条件に基づいて読み出し、読み出した電力負荷及び電力負荷偏差に基づいて、燃料電池８が運転方法選択手段２８によって選択された方法で運転された場合の発電出力、発電効率、熱回収率、買電量、ガスボイラ１４が追い焚きの際などに消費するガス量を演算する。さらに、燃料電池８の発電出力に基づいて求められる熱回収量から放熱損を考慮して実熱回収量を演算する。これらから、全体としての消費エネルギー量が最小となる運転パターンを選定するものである。ここで、運転パターンとしては、燃料電池８の起動時刻、停止時刻、段階的出力運転を行う時間帯及びそのときの発電出力等が含まれる。
【００３２】
運転方法変更手段３０は、燃料電池８が段階的出力運転によって運転されているときに、電力負荷処理手段２４によって算出された電力負荷偏差の値に応じて、燃料電池８の運転方法を負荷追従運転に変更するものである。
運転方法返戻手段３１は、運転方法変更手段３０によって燃料電池８の運転方法が負荷追従運転に変更されたときに、電力計２０によってサンプリングされた電力負荷及び電力負荷処理手段２４によって算出された電力負荷偏差の値に応じて、燃料電池８の運転方法を段階的出力運転に戻すものである。
【００３３】
次に、上記構成を有する家庭用コージェネレーションシステムの運転制御システムの動作について、フローチャートを参照しながら説明する。
家庭用コージェネレーションシステムの運転制御システムでは、各種データを集めながら燃料電池８を運転し、その集まったデータを基に予測の対象となる日（予測対象日）の電力負荷及び熱負荷を予測する。そして、その予測に基づいて、予測対象日の燃料電池８の運転方法を選定する。予測対象日にはその選定された運転方法で運転しつつさらに各種データを蓄積する。従って、この運転制御システムは、予測に基づいて決定された運転方法による運転制御と、電力負荷データ及び熱負荷データを蓄積する処理を常時実行する。また、燃料電池８が運転されている間は、運転状況を監視する処理をも行う。
【００３４】
さらに、必要なデータが蓄積された段階で次の予測対象日の負荷予測を行い、燃料電池８の運転方法の選択及びその起動時刻・停止時刻の決定処理を行う。すなわち、蓄積された電力負荷データと熱負荷データに基づいて電力負荷予測と熱負荷予測を立案し、それに基づいて燃料電池８の運転パターンを決定する。一般的にこの予測は１日分を単位として行う。また、予測のためにデータを参照する日としては、前日や１週間前の同曜日等が用いられ、以下ではこの日を予測参照日と記載する。
【００３５】
まず、図３は、負荷データの蓄積及び運転状況の監視処理のフローチャートである。図４は、図３の処理の途中で実行される定時監視処理のフローチャートである。すなわち、熱機器１１と電力機器１９が消費する熱負荷と電力負荷を熱負荷データと電力負荷データとして蓄積する。そして、そのときの電力負荷及びその偏差を予測されている値と比較し、運転方法変更の要否を監視する処理である。この処理は常時実行される。図３のフローチャートには１日分の実行処理内容を記載している。
【００３６】
負荷データの蓄積及び運転状況の監視処理では、先ず、Ｓ１１において、１分毎に電力負荷、給湯流量、温度（水温と給湯温度）を計測する。すなわち、電力負荷は、電力計２０によって経時的に計測される。また、給湯流量は、流量計１５により経時的に計測される。さらに、水道水の水温は、温度センサ２１によって計測され、給湯温度は、温度センサ４１によって計測される。
【００３７】
次に、Ｓ１２において、１分毎の熱負荷（単位はｋＪ）を算出（＝水の流量×温度差）する。すなわち、給湯温度から水道水の水温を減算して温度差を求め、その温度差に給湯流量をかけることにより、熱機器１１が消費した熱負荷を算出する。また、これと同時に、燃料電池８の貯湯タンク２に設置されている温度センサ１２から貯湯温度を計測し、蓄熱量を計算する。
【００３８】
次に、Ｓ１３において、１０分間分のデータ収集を完了したか否かを判断する。１０分間分のデータ収集を完了していないと判断した場合には（Ｓ１３：ＮＯ）、Ｓ１１に戻ってデータ収集を継続する。一方、１０分間分のデータ収集を完了したと判断した場合には（Ｓ１３：ＹＥＳ）、Ｓ１４において、定時監視処理を行う。この定時監視処理については後述する。
【００３９】
次に、Ｓ１５において、１時間分のデータ収集を完了したか否かを判断する。１時間分のデータ収集を完了していないと判断した場合には（Ｓ１５：ＮＯ）、Ｓ１１に戻ってデータ収集を継続する。一方、１時間分のデータ収集を完了したと判断した場合には（Ｓ１５：ＹＥＳ）、Ｓ１６において、１時間分の電力負荷、熱負荷を積算し、１時間の間でのバラツキ（偏差）を算出する。さらに、過去のデータベースを基に、所定の条件の日の電力積算負荷をそれぞれ読み出し、各時間帯における電力積算負荷の日間の偏差を求め、電力負荷定時偏差を算出する。この所定の条件としては、例えば、平日であれば平日２週間分の１０日間としたり、あるいは、同曜日を１ヶ月分や２ヶ月分としてもよい。さらには、季節による変化を考慮したり、特殊な運転状況であったと考えられる日は除くなどとしてもよい。
【００４０】
次に、Ｓ１７において、Ｓ１６で算出された積算値、偏差を該当する曜日、時刻のデータに上書きする。すなわち、データベース３４に含まれる電力積算負荷データベース、電力負荷偏差データベース、熱積算負荷データベース、熱負荷偏差データベースには、電力積算負荷、電力負荷偏差、熱積算負荷、熱負荷偏差が曜日や季節などに区分して時刻毎に記憶されている。そこで、それらの各データベースに記憶されている既存の電力積算負荷、電力負荷偏差、熱積算負荷、熱負荷偏差を新たに算出した値に書き換える。また、データベース３４に含まれる電力負荷定時偏差データベースには、電力負荷定時偏差が平日用・休日用等と区分されて時間帯毎に記憶されている。そこで、そのデータベースに記憶されている既存の電力負荷定時偏差を新たに算出した値に置き換える。
【００４１】
次に、Ｓ１８において、１日分のデータ収集を完了したか否かを判断する。１日分のデータ収集を完了していないと判断した場合には（Ｓ１８：ＮＯ）、Ｓ１１に戻ってデータ収集を継続する。一方、１日分のデータ収集を完了したと判断した場合には（Ｓ１８：ＹＥＳ）、Ｓ１９において、１日分の総熱負荷を算出する。すなわち、１時間間隔で算出した熱積算負荷をさらに積算して、熱機器１１が１日に消費する熱負荷を算出し、データベース３４に記憶する。これで１日分の負荷データの蓄積及び運転状況の監視処理は終了する。
【００４２】
ここで、図６と図７の例を用いて、電力負荷偏差と電力負荷定時偏差との２種類の偏差について説明する。図６は、電力負荷のサンプリング値の変化の状況を（ａ）と（ｂ）との２種類の時間帯について対比して示す図である。図７は、１時間の平均の電力積算負荷の日による変化の状況を（ｃ）と（ｄ）との２種類の時間帯について対比して示す図である。図６に示すように、１日のうちにはほぼ電力負荷が一定している時間帯（ａ）と、電力負荷が大きく変化する時間帯（ｂ）とがある。（ａ）は電力負荷偏差が小さく、（ｂ）は電力負荷偏差が大きい時間帯である。一方、同じ時間帯でも図７に示すように、日によって電力負荷が大きく変化する時間帯（ｃ）と、どの日もほぼ同じ電力負荷である時間帯（ｄ）とがある。（ｃ）は電力負荷定時偏差が大きい時間帯であり、（ｄ）は電力負荷定時偏差が小さい時間帯である。
【００４３】
尚、本実施の形態では、電力負荷等のサンプリング間隔を１分、監視処理間隔を１０分、積算値と偏差を求める時間間隔を１時間に設定している。しかし、これらの時間間隔はこれに限るものでなく、マイクロコンピュータ２２Ａのデータ蓄積容量や処理速度などを鑑みて任意に設定可能である。
【００４４】
次に、図３のＳ１４で実行される定時監視処理について説明する。燃料電池８の運転方法は、電力負荷や熱負荷の発生状況を予測して、時間帯毎に負荷追従運転又は段階的出力運転から選択されている。実際の電力負荷や熱負荷は必ずしも予測通りに発生するとは限らないので、燃料電池８の運転中は常時監視している必要がある。特に、段階的出力運転が選択されている時に、実際の負荷がその予測負荷から大きく外れた場合、買電量や余剰電力が増大することとなるので好ましくない。この定時監視処理はそのためのものであり、燃料電池８が運転されている時間帯には定期的に実行する。
【００４５】
この処理の実行が開始されると、まずＳ２１において、その時間帯の予測上は、段階的出力運転が選択されているか否かを判断する。段階的出力運転が選択されている時間帯ではないと判断した場合には（Ｓ２１：ＮＯ）、負荷追従運転での運転であるので、特に監視する必要はない。そこで、図３のＳ１５に戻ってデータ収集を継続する。
【００４６】
一方、段階的出力運転が選択されている時間であると判断した場合には（Ｓ２１：ＹＥＳ）、Ｓ２２において、１０分間の電力負荷の平均値及び偏差を算出する。そして、Ｓ２３において、現在の実際の運転方法が段階的出力運転であるかどうかを判断する。段階的出力運転で運転されていると判断した場合には（Ｓ２３：ＹＥＳ）、Ｓ２４において、取得した電力負荷の平均値とその偏差が所定の範囲内であるか否かを判断する。いずれの値も所定の範囲内であると判断された場合には（Ｓ２４：ＹＥＳ）、そのまま継続して運転すればよいので、この処理を終了して図３のＳ１５に戻ってデータ収集を継続する。
【００４７】
一方、電力負荷の平均値あるいはその偏差の少なくとも一方が所定の範囲を超えていると判断した場合には（Ｓ２４：ＮＯ）、予測と異なる電力負荷が発生している。そこで、Ｓ２５において、燃料電池８の運転方法を負荷追従運転に変更する。そして、図３のＳ１５に戻ってデータ収集を継続する。
【００４８】
また、予測では段階的出力運転が選択されているけれど、現在の運転方法が負荷追従運転であると判断した場合には（Ｓ２３：ＮＯ）、以前の定時監視によって、Ｓ２５で運転方法が変更されていることを表す。そこで、Ｓ２６において、電力負荷の平均値とその偏差が所定の範囲内に戻ったか否かを判断する。このときの所定の範囲は、Ｓ２４での判断における所定の範囲と必ずしも等しくなくてもよい。電力負荷の平均値とその偏差が所定の範囲内に戻ったと判断した場合には（Ｓ２６：ＹＥＳ）、Ｓ２７において、燃料電池８の運転方法を段階的出力運転に戻す。一方、戻っていないと判断した場合には（Ｓ２６：ＮＯ）、負荷追従運転を継続する。そして、図３のＳ１５に戻ってデータ収集を継続する。以上で定時監視処理の動作説明を終了する。
【００４９】
次に、図５を参照して、燃料電池８の運転方法の選択及びその起動時刻・停止時刻の決定方法について説明する。図５は、電力負荷・熱負荷予測と起動・停止時刻決定処理のフローチャートである。この処理は、予測に必要なデータがそろった後に１日分毎に実行される。例えば、予測参照日が予測対象日の前日である場合は、前日の運転が終了した後に実行される。あるいは、予測参照日が予測対象日の１週間前の同じ曜日である場合は、１週間前の同じ曜日の運転が終了したら実行できる。
【００５０】
この処理の動作を開始すると先ず、Ｓ４１において、予測に必要な各種のデータをデータベース３４に含まれる各データベースから読み込む。まず、予測参照日の前日の燃料電池８の停止時刻から２日分程度の電力積算負荷及び電力負荷偏差を読み込む。さらに、予測対象日に対応する各時間帯の電力負荷定時偏差を読み込む。さらに、熱負荷予測のために、予測参照日の熱積算負荷と熱負荷偏差とを読み込む。
【００５１】
次に、Ｓ４２において、Ｓ４１で得られた電力負荷偏差と電力負荷定時偏差とから、各時間帯における燃料電池８の運転方法を選択する。基本的には、予測参照日の電力負荷偏差が所定のしきい値より小さい時間帯では段階的出力運転を選択する。しかし、電力負荷偏差が所定のしきい値より小さくても、電力負荷定時偏差が所定のしきい値を超えて大きい場合には負荷追従運転を選択する。すなわち、電力負荷偏差及び電力負荷定時偏差がそれぞれ所定のしきい値より小さい時間帯に限り、段階的出力運転を選択する。それ以外の時間帯では、負荷追従運転を選択する。
【００５２】
ここで、図８と図９に、電力負荷の変化状況と運転方法の選択結果との関係の例を示す。図８に示す例では、時刻Ｔを境に、それ以前では電力負荷の変化が激しく電力負荷偏差が大きい。従って、この時間帯では負荷追従運転が選択される。また、時刻Ｔ以降では、電力負荷の変化がさほどでなく電力負荷偏差が小さい。従って、この時間帯では段階的出力運転が選択される。また、図９に示す例では、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４、時刻Ｔ５以降の時間帯では負荷追従運転が選択され、時刻Ｔ１までと時刻Ｔ２から時刻Ｔ３、時刻Ｔ４から時刻Ｔ５の各時間帯では段階的出力運転が選択されている。この例での時刻Ｔ４から時刻Ｔ５の時間帯では、電力負荷偏差が大きい時間帯ではあるが、その間の電力負荷値のほとんどが、燃料電池８の最大出力（ここでは１ｋＷとしている）を上回っている。そのため、この時間帯では段階的出力運転が選択されている。
燃料電池８では、最大出力以上の発電出力を得ることはできないため、このような場合には、最大出力での段階的出力運転をすることを選択してもよい。
【００５３】
次に、Ｓ４３において、それぞれの運転時間帯での発電出力を算出する。負荷追従運転の運転時間帯では、予測参照日の電力積算負荷と電力負荷偏差とから平均的な発電出力を予測する。ここで、燃料電池８の負荷追従性能は、実験により、およそ図１０のようになることがわかっている。そこで、予測参照日の電力積算負荷と電力負荷偏差とにこの関係を当てはめることにより、平均的な発電出力が予測できる。また、段階的出力運転の運転時間帯では、予測参照日の平均電力負荷を電力積算負荷から求めて発電出力とする。
【００５４】
さらに、消費エネルギー量の算出に必要なデータを求める。まずＳ４４において、燃料電池８の発電出力から発電効率と熱回収率を算出する。ここで、燃料電池８の運転方法による発電出力と発電効率との関係を、図１１に示す。図１１で、実線Ｌ１は、燃料電池８が一定の発電出力で発電を続けた場合の発電効率を示す。段階的出力運転において一定の発電出力で運転されている区間がこれに相当する。また、破線Ｌ２は、燃料電池８が負荷追従運転で発電した場合の発電効率である。この図から分かるように、段階的出力運転での運転の方が負荷追従運転に比べて全体的に発電効率がよい。従ってこの点からも、できるだけ段階的出力運転を選択することは好ましい。
【００５５】
また、Ｓ４５において、発電出力を発電効率で割ることにより家庭用コージェネレーションシステム１Ａの燃料となるガス量を算出する。また、Ｓ４６において、ガス量と熱回収率とをかけ合わせて熱回収量を算出する。さらに、Ｓ４７において、気温や水温などから１時間当たりの放熱率を算出する。
次に、Ｓ４８において、予測対象日の起動時刻Ｂ１を予測対象日の前日の停止時刻に仮決めし、放熱損を考慮して起動時刻Ｂ１での貯湯残熱量を算出する。すなわち、予測対象日の燃料電池８を起動する前に貯湯タンク２に蓄熱されている熱量を算出する。
【００５６】
次に、Ｓ４９において、起動時刻Ｂ１から回収できる熱量を順次加算する。すなわち、起動時刻Ｂ１から各時間帯毎に燃料電池８が発電に伴って発生する熱量を発電出力から求めて累積する。その際、熱回収量は回収時間と使用時間の時間差分の放熱損を考慮する。すなわち、熱回収量から放熱損を減算した熱量を経時的に積算し、実熱回収量を求める。
次に、Ｓ５０において、予測参照日の総熱負荷が実熱回収量と実貯湯残熱量とを加算したものより小さくなる時刻を停止時刻Ｃ１と仮決めする。すなわち、Ｓ４９で求めた実熱回収量とＳ４８で求めた貯湯残熱量に放熱損を考慮した実貯湯残熱量との合計によって、予測参照日の総熱負荷を賄うことができる時刻を燃料電池８の停止時刻Ｃ１とする。
【００５７】
次に、Ｓ５１において、起動時刻Ｂ１から停止時刻Ｃ１まで時間帯毎に選択された運転方法で燃料電池８を運転した場合について、１日の消費エネルギー量Ｔ１を算出し蓄積する。これは、買電量に換算係数をかけたものと、ガス量に換算係数をかけたものとを加算することにより求める。ここで、買電量は、総電力負荷から総発電出力を減算することにより算出される。
【００５８】
次に、Ｓ５２において、停止時刻Ｃ１が翌日の２４時＋α以下であるか否かを判断する。停止時刻Ｃ１が翌日の２４時＋α以下であると判断した場合には（Ｓ５２：ＹＥＳ）、Ｓ３２に進み、起動時刻Ｂｉを１時間遅らせる。その後、Ｓ４８からＳ５１の処理を行い、起動時刻Ｂｉから停止時刻Ｃｉまでの消費エネルギー量Ｔｉを算出して蓄積する。これを、起動時刻Ｂｉを１時間ずつ遅らせながら、停止時刻Ｃｉが翌日の２４時＋α以下でなくなるまで繰り返す。
【００５９】
そして、停止時刻Ｃｉが翌日の２４時＋α以下でないと判断した場合には（Ｓ５２：ＮＯ）、Ｓ５４に進み、起動時刻Ｂｉ毎に蓄積された消費エネルギー量Ｔｉのうち最小の消費エネルギー量Ｔｍｉｎとなるｉを求める。これから、そのときの起動時刻Ｂｍｉｎ、停止時刻Ｃｍｉｎが得られる。すなわち、蓄積した運転パターンの中で、起動から停止までの消費エネルギー量が最小となるものが選定され、予測対象日の運転パターンとする。この運転パターンには、燃料電池８の起動時刻Ｂｍｉｎと停止時刻Ｃｍｉｎ、段階的出力運転による運転時間帯とそれぞれの運転時間帯での発電出力、負荷追従運転による運転時間帯等のおよそ１日の燃料電池８の運転方法が含まれる。これで、電力負荷・熱負荷予測と起動・停止時刻決定処理を終了する。
【００６０】
予測対象日当日には、燃料電池８は上記のように決定された運転パターンに従って運転される。段階的出力運転による運転時間帯では、各時間帯に対して予測選定された発電出力で発電するとともに、運転状況を常時監視する。そして、貯湯タンク２の貯湯を熱機器１１に供給するとともに、発電出力を電力機器１９に供給する。尚、発電出力で対応できない電力負荷は、商用電力で賄い、また、給湯温度が貯湯温度を超える場合には、ガスボイラ１４で加熱して賄う。また、貯湯温度が給湯温度より高温の場合には、三方弁１３において水道水を給湯水に混合して熱機器１１に供給する。
【００６１】
従って、本実施の形態の家庭用コージェネレーションシステム１Ａの運転制御システムによれば、一定間隔でサンプリングした電力負荷と熱負荷のサンプリング値を記憶し、そのサンプリング値に基づいて燃料電池８の運転方法を決定するものであって、電力負荷のサンプリング値について所定時間毎に偏差を算出し、データベース３４に含まれる電力負荷偏差データベースに記憶する電力負荷処理手段２４と、各時間帯における電力負荷積算値の所定の条件の日数間の偏差である電力負荷定時偏差を算出し、データベース３４に含まれる電力負荷定時偏差データベースに記憶する定時偏差処理手段２７と、電力負荷偏差と電力負荷定時偏差をそれぞれ所定の条件に基づいて読み出し、読み出した電力負荷偏差及び電力負荷定時偏差をそれぞれ所定のしきい値と比較することにより、燃料電池８の運転方法を負荷追従運転又は段階的出力運転のいずれかより選択する運転方法選択手段２８とを有し、運転方法選択手段２８は、電力負荷偏差及び電力負荷定時偏差がそれぞれ所定のしきい値以下であるときには段階的出力運転を選択する。従って、段階的出力運転を行う段階的な出力値及びその出力時間範囲を効率的かつ効果的に判定して、より省エネ性、高効率性及び高耐久性を発揮する運転制御を実現することができる。
【００６２】
また、本実施の形態の家庭用コージェネレーションシステム１Ａの運転制御システムによれば、燃料電池８が段階的出力運転により所定の出力電力で運転されているときに、電力負荷のサンプリング値がその出力電力に対して所定割合あるいは所定電力値幅を超えて変化した場合、あるいは、電力負荷偏差が所定値に対して所定割合あるいは所定値幅を超えて変化した場合には、燃料電池８に負荷追従運転を行わせる運転方法変更手段３０を有する。従って、段階的出力運転での運転により、買電量や余剰電力が大きくなりすぎることを防止し、より省エネ性を向上させた家庭用コージェネレーションシステム１Ａの運転制御システムとなっている。
【００６３】
さらに、本実施の形態の家庭用コージェネレーションシステム１Ａの運転制御システムによれば、運転方法変更手段３０によって運転方法が変更された後、電力負荷のサンプリング値が段階的出力運転により出力される予定の出力電力に対して所定割合あるいは所定電力値幅以内の変化に戻り、かつ、電力負荷偏差が所定値以内である場合には燃料電池８に段階的出力運転を行わせる運転方法返戻手段３１を有する。従って、不必要に長時間にわたって負荷追従運転に変更されることがなく、さらに省エネ性、高効率性及び高耐久性を向上させた家庭用コージェネレーションシステム１Ａの運転制御システムとなっている。
【００６４】
（第２実施の形態）
次に、本発明の家庭用コージェネレーションシステムの運転制御システムに関し、第２実施の形態を図面を参照して説明する。
本実施の形態は、ヒータ（「熱電変換装置」に相当するもの。）４０を備える家庭用コージェネレーションシステム１Ｂに使用される燃料電池８の運転制御を行う家庭用コージェネレーションシステム１Ｂの運転制御システムであり、ヒータ４０を備えない家庭用コージェネレーションシステム１Ａに使用される燃料電池８の運転制御を行う第１実施の形態のものと相違する。よって、ここでは、第１実施の形態の家庭用コージェネレーションシステム１Ａの運転制御システムと異なる点について詳細に説明する。尚、第１実施の形態の家庭用コージェネレーションシステム１Ａの運転制御システムと同一構造については、図面に同一符号を付すことにする。
【００６５】
図１２は、家庭用コージェネレーションシステム１Ｂの概略構成図である。図１３は、マイクロコンピュータ２２Ｂのブロック図である。
図１２に示すように、家庭用コージェネレーションシステム１Ｂは、貯湯タンク２の底部と頂部を接続する循環配管４上にヒータ４０が設けられ、燃料電池８が余剰電力を発生したときに、その余剰電力を熱に変換して蓄熱するようになっている。図１３に示すように、マイクロコンピュータ２２Ｂは、ヒータ４０にも接続され、ヒータ４０による熱交換を考慮しながら燃料電池８の運転パターンを作成する。尚、ヒータ４０は余剰電力を熱に変換して利用できるように配置されればよいので、その配置は循環配管４上に限らず、熱回収用循環配管７や出力用循環配管１０等に設けてもよい。
【００６６】
また、本実施の形態のマイクロコンピュータ２２Ｂは、図１３に示すように、第１実施の形態のマイクロコンピュータ２２Ａと比較して、熱偏差処理手段３２と蓄熱パターン選定手段３３とをさらに有している。
熱偏差処理手段３２は、熱負荷積算手段２５によって記憶された各時間帯における熱負荷積算値について、所定の複数の日数間での偏差を算出し、データベース３４に含まれる熱負荷定時偏差データベースに記憶された既存の熱負荷定時偏差を書き換えるものである。ここでの複数の日数は、定時偏差処理手段２７で電力負荷定時偏差を求めるための複数の日とは異なっていてもよい。
蓄熱パターン選定手段３３は、電力負荷予測に基づいた運転方法では１日分の熱負荷に不足する場合に、１日のうちで発電電力を増大させる時間帯を選定するものである。
【００６７】
次に、このような家庭用コージェネレーションシステム１Ｂの運転制御システムの動作について、フローチャートを参照しながら説明する。
家庭用コージェネレーションシステム１Ｂの運転制御システムも、第１実施の形態と同様に、燃料電池８の運転中には負荷データの蓄積及び運転状況の監視処理を行う。そして、予測用データが集まったタイミングで適宜、電力負荷・熱負荷予測と起動・停止時刻決定処理を行う。
負荷データの蓄積処理部分は、図３に示す処理と同様であるが、図３のＳ１４で実行される定時監視処理は、図４に示した第１実施の形態のものとやや相違している。また、この実施の形態では、Ｓ１６での各種積算・偏差の算出時において、電力負荷定時偏差と同様に各時間帯の熱負荷定時偏差をも算出し、熱負荷定時偏差データベースの内容を書き換える。
また、電力負荷・熱負荷予測と起動・停止時刻決定処理は、図５に示した第１の実施の形態のものと、一部分で相違している。
【００６８】
本実施の形態での定時監視処理のフローチャートを図１４に示す。この処理が呼び出されるタイミングは第１実施の形態のヒータ４０のないシステムの場合と同じであり、図３のＳ１４で実行される。このシステムの定時監視処理では、電力の過不足に関する監視のみでなく、熱の過不足に関する監視も行う。燃料電池８での余剰電力をヒータ４０によって熱に変換して、貯湯タンク２に蓄熱できることから、熱が不足する場合は燃料電池８の発電出力を上げることによって対応できるからである。図１４のＳ２１からＳ２７までは電力の過不足に関する監視部分であり、図４のＳ２１からＳ２７までと同じ処理であるので説明を省略する。
【００６９】
電力の過不足に関する監視処理に続いて、Ｓ２８において、１０分間の熱負荷の平均値と偏差を算出する。そして、予測されている熱負荷と比較する。Ｓ２８の比較の結果、Ｓ２９において、予測されていない時間帯での熱負荷が発生した等の理由により、今後熱が不足すると予想されるか否かを判断する。熱が不足すると予想される場合には（Ｓ２９：ＹＥＳ）、Ｓ３０において、熱不足が生じると予想される時間帯の喫緊から、不足分の熱を補うように発電出力を増大させる。一方、熱不足は生じないと予想される場合には（Ｓ２９：ＮＯ）、Ｓ３１において、逆に熱が余りそうか否かを判断する。
【００７０】
そして、熱が余ると予想される場合には（Ｓ３１：ＹＥＳ）、Ｓ３２において、発電出力の増加分を元に戻す。ここで、発電出力の増加分とは、定時監視のタイミングで熱不足と判断され、Ｓ３０において予測による運転パターンより増大された分の発電出力でもよい。あるいは、運転予測の段階で電力負荷に見合う発電出力では熱負荷に不足すると予測された場合に、熱負荷のために増大された発電出力であってもよい。発電出力の増加分がない場合には、Ｓ３２では発電出力は変更しない。一方、熱余りは生じないと予想される場合には（Ｓ３１：ＮＯ）、Ｓ３３において、そのまま発電される。以上で、定時監視処理を終了し、図３のＳ１５に戻る。
【００７１】
次に、図１５と図１６を使用して電力負荷・熱負荷予測と起動・停止時刻決定処理について説明する。図１５と図１６に示したのが、本実施の形態での電力負荷・熱負荷予測と起動・停止時刻決定処理のフローチャートである。図１５のＳ６１からＳ６９は、第１実施の形態で説明した図５のＳ４１からＳ４９までとほぼ同様である。ただし、Ｓ６６における熱回収量の算出では、図５のＳ４６でのガス量と熱回収率とをかけ合わせたものにヒータ４０によって回収される熱量も加える。
【００７２】
そして、図１５のＳ７０において、予測参照日の１日の総熱負荷がＳ６９で得られた実熱回収量とＳ６８で得られた貯湯残熱量に放熱損を考慮した実貯湯残熱量との合計より大きいか否かを判断する。すなわち、電力負荷のみに着目して設定された発電出力で１日に回収される熱量が、１日に必要とされる熱負荷を賄うのに十分であるか否かを判断する。１日の総熱負荷が実熱回収量と実貯湯残熱量とを加算したものより大きくない場合には（Ｓ７０：ＮＯ）、熱回収量に余裕がある。従って、電力負荷のみに着目して１日の運転パターンを設定すればよい。
【００７３】
そこで、Ｓ７１において、１日の総熱負荷が実熱回収量と実貯湯残熱量とを加算したものより小さくなる時刻を停止時刻Ｃ１と仮決めする。すなわち、起動時刻Ｂ１から停止時刻Ｃ１までの運転によって、実熱回収量と実貯湯残熱量とにより熱負荷を賄えるように停止時刻Ｃ１を仮決めする。その後、図５のＳ５１に進み、起動時刻Ｂｉと停止時刻Ｃｉとを順次ずらして、それぞれの消費エネルギー量Ｔｉを算出する。そして、各消費エネルギー量Ｔｉを比較することにより最も小さい消費エネルギー量Ｔｍｉｎとなる起動時刻Ｂｍｉｎと停止時刻Ｃｍｉｎを選択して予測対象日の運転パターンを決定し、この処理を終了する。
【００７４】
一方、１日の総熱負荷が実熱回収量と実貯湯残熱量とを加算したものより大きい場合には（Ｓ７０：ＹＥＳ）、電力負荷のみに着目して設定された運転パターンの発電出力で１日に回収される熱量では、１日に必要とされる熱負荷を賄うのに十分でない。そこで、熱負荷を賄うために発電出力を増大させて、その増大分の電力をさらにヒータ４０で熱に変換して回収できるように運転パターンを修正する。
【００７５】
この場合は、図１６のＳ８１に進む。Ｓ８１において、回収熱量Ｈを前の熱負荷Ｎｙから次の熱負荷Ｎｘが生じるまで順次加算する。すなわち、次に熱負荷が生じるまでの間に回収できる熱量の合計を算出する。
そして、Ｓ８２において、次の熱負荷までに回収できる熱量が次の熱負荷に要する熱量より小さいか否かを判断する。次の熱負荷までに回収できる熱量が次の熱負荷に要する熱量より小さくないと判断した場合には（Ｓ８２：ＮＯ）、今設定されている運転パターンでこの間の熱負荷は賄うことができる。
【００７６】
それに対して、次の熱負荷までに回収できる熱量が次の熱負荷に要する熱量より小さいと判断した場合には（Ｓ８２：ＹＥＳ）、この間の熱回収量が不足している。そこで、Ｓ８３において、この時間帯の熱負荷定時偏差を算出し、所定値と比較する。ここで、図１７に熱負荷の発生状況の例を示す。熱負荷の発生時刻には、比較的多くの日で熱負荷が発生している時間帯と、日によって発生したりしなかったりする時間帯とがある。前者が熱負荷定時偏差が小さい時間帯であり、後者が熱負荷定時偏差が大きい時間帯である。
【００７７】
すなわち、図１６のＳ８３において、熱負荷定時偏差が所定値より大きいと判断した場合には（Ｓ８３：ＹＥＳ）、次の熱負荷がその予測時間帯でない時間帯に発生することも大いにあり得ることを表す。予測より早く熱負荷が発生してしまった場合、その後に貯められる熱は無駄になることもある。これは、次の熱負荷までの時間間隔が長い場合、その間の放熱損が大きくなるからである。そこで、Ｓ８４において、比較的早い時間帯から喫緊の時間帯まで、幅広い時間帯で等分に発電出力を増大させるように運転パターンを修正する。
【００７８】
一方、Ｓ８３において、熱負荷定時偏差が所定値より大きくないと判断した場合には（Ｓ８３：ＮＯ）、次の熱負荷がその予測時間帯に発生する可能性が高いことを表す。そこで、放熱損を減少させるためにも、短時間で必要な熱を回収する。そのため、Ｓ８５において、次の熱負荷の発生予測時間帯の喫緊から必要な熱量に見合う時間だけ、発電出力を最大値まで増大させるように運転パターンを修正する。
【００７９】
ここで、図１８と図１９に、これらの運転パターンの修正結果の例を示す。これらの例では、電力負荷の発生パターンは同じであり、修正前の電力負荷のみを考慮した運転パターンは破線で示したように選択されていた。すなわち、時刻Ｔ６までは負荷追従運転であり、時刻Ｔ６〜時刻Ｔ７は段階的出力運転、時刻Ｔ７以降は負荷追従運転が選択されていた。これに対し、時刻Ｔ８において熱負荷の発生予測があり、時刻Ｔ６より前にある前回の熱負荷から時刻Ｔ８までの熱回収量では、時刻Ｔ８での熱負荷に不足することが予想されている。
【００８０】
そして、時刻Ｔ８での熱負荷の熱負荷定時偏差が所定値より大きい場合には、図１８に示したように、時刻Ｔ６〜時刻Ｔ８までの全体にわたって、出力電力を増大する。この増大分に放熱損を考慮した熱回収量が、時刻Ｔ８での熱負荷に不足する熱量分に相当するようにすればよい。一方、時刻Ｔ８での熱負荷の熱負荷定時偏差が所定値より小さい場合は、図１９に示したように、時刻Ｔ８とそれより前の時刻Ｔ９の間だけ最大出力での運転を行う。この時刻Ｔ９は、時刻Ｔ９〜時刻Ｔ８間での増大分による熱回収量に放熱損を考慮すると、時刻Ｔ８での熱負荷に不足する熱量分に相当するように決定される。この場合は、図１８の場合に比較して短時間で蓄熱するので放熱損が少なく、増大電力分の累積である斜線部分は図１８の場合よりやや小さい。
【００８１】
次に、図１６に戻り、Ｓ８６において、今判断の対象となった熱負荷Ｎｘが、予測参照日の最後の熱負荷か否かを判断する。１日の最後の熱負荷でないと判断した場合には（Ｓ８６：ＮＯ）、Ｓ８７において、判断の対象を次の熱負荷に移動して、Ｓ８１に戻って処理を続行する。すなわち、先の熱負荷Ｎｘと次の熱負荷の間に回収される熱量によって、次の熱負荷が賄えるかどうかを判断し、運転パターンに修正を加えていく。一方、熱負荷Ｎｘが予測参照日の最後の熱負荷であると判断した場合には（Ｓ８６：ＹＥＳ）、これで運転パターンの作成を終了し、作成された運転パターンを記憶して、この電力負荷・熱負荷予測と起動・停止時刻決定処理を終了する。
【００８２】
予測対象日当日には、燃料電池８は選定された運転パターンに従って運転され、発電出力を電力機器１９に供給するとともに、発電に伴って発生した熱で加熱した給湯水を熱機器１１に供給する。ここで、給湯水が不足する場合には、ヒータ４０で加熱して賄うので、ガスボイラ１４が消費する都市ガスを減らすことが可能である。
【００８３】
従って、本実施の形態の家庭用コージェネレーションシステム１Ｂの運転制御システムによれば、第１実施の形態の家庭用コージェネレーションシステム１Ａの運転制御システムに加えて、ヒータ４０及び、各時間帯における熱負荷積算値の所定の条件の日数間の偏差である熱負荷定時偏差を算出し、データベース３４に含まれる熱負荷定時偏差データベースに記憶する熱偏差処理手段３２と、電力負荷予測に基づいた運転パターンを熱負荷予測に対応するように変更する蓄熱パターン選定手段３３とを有している。従って、段階的出力運転を行う段階的な出力値及びその出力時間範囲を効率的かつ効果的に判定するとともに、熱負荷にも効果的に対応して、より省エネ性、高効率性及び高耐久性を発揮する運転制御を実現することができる。
【００８４】
尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものでなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
【００８５】
例えば、上記各実施の形態では、熱電併給装置として燃料電池８を使用したが、ガスエンジンやガスタービンなどを使用してもよい。
また例えば、売電装置をさらに備えて、余剰電力を売電してもよい。
【００８６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の家庭用コージェネレーションシステムの運転制御システムによれば、発電に伴って熱を発生する熱電併給装置と、熱電併給装置が発生した熱を蓄熱する蓄熱装置と、熱電併給装置が発生した熱が不足するときに、熱を補助的に発生する補助加熱装置と、熱電併給装置が発生した発電出力が不足するときに、電力を買電する買電装置と、熱電併給装置、蓄熱装置、補助加熱装置の動作を制御する制御装置と、を備え、一定間隔でサンプリングした電力負荷と熱負荷のサンプリング値を積算した電力負荷積算値及び熱負荷積算値を記憶するとともに、そのサンプリング値に基づいて熱電併給装置の運転方法を決定する家庭用コージェネレーションシステムの運転制御システムにおいて、電力負荷のサンプリング値についての所定時間毎の偏差である電力負荷偏差を算出し、電力負荷偏差データベースに記憶する電力負荷処理手段と、各時間帯における電力負荷積算値の所定の条件の日数間の偏差である電力負荷定時偏差を算出し、電力負荷定時偏差データベースに記憶する定時偏差処理手段と、電力負荷偏差と電力負荷定時偏差をそれぞれ所定の条件に基づいて読み出し、読み出した電力負荷偏差及び電力負荷定時偏差をそれぞれ所定のしきい値と比較することにより熱電併給装置の運転方法を負荷追従運転または段階的出力運転のいずれかより選択する運転方法選択手段と、を有し、運転方法選択手段は、電力負荷偏差及び電力負荷定時偏差がそれぞれ所定のしきい値以下であるときには段階的出力運転を選択するので、段階的出力運転を行う段階的な出力値及びその出力時間範囲を効率的かつ効果的に判定して、より省エネ性、高効率性及び高耐久性を発揮する運転制御を実現することができる。
【００８７】
また、本発明の家庭用コージェネレーションシステムの運転制御システムによれば、発電に伴って熱を発生する熱電併給装置と、熱電併給装置が発生した熱を蓄熱する蓄熱装置と、熱電併給装置が発生した熱が不足するときに、熱を補助的に発生する補助加熱装置と、熱電併給装置が発生した発電出力が不足するときに、電力を買電する買電装置と、熱電併給装置が発生した余剰電力を熱に変換する熱電変換装置と、熱電併給装置、蓄熱装置、補助加熱装置、熱電変換装置の動作を制御する制御装置と、を備え、一定間隔でサンプリングした電力負荷と熱負荷のサンプリング値を積算した電力負荷積算値及び熱負荷積算値を記憶するとともに、そのサンプリング値に基づいて熱電併給装置の運転方法を決定する家庭用コージェネレーションシステムの運転制御システムにおいて、電力負荷のサンプリング値についての所定時間毎の偏差である電力負荷偏差を算出し、電力負荷偏差データベースに記憶する電力負荷処理手段と、各時間帯における電力負荷積算値の所定の条件の日数間の偏差である電力負荷定時偏差を算出し、電力負荷定時偏差データベースに記憶する定時偏差処理手段と、電力負荷偏差と電力負荷定時偏差をそれぞれ所定の条件に基づいて読み出し、読み出した電力負荷偏差及び電力負荷定時偏差をそれぞれ所定のしきい値と比較することにより熱電併給装置の運転方法を負荷追従運転または段階的出力運転のいずれかより選択する運転方法選択手段と、を有し、運転方法選択手段は、電力負荷偏差及び電力負荷定時偏差がそれぞれ所定のしきい値以下であるときには段階的出力運転を選択するので、段階的出力運転を行う段階的な出力値及びその出力時間範囲を効率的かつ効果的に判定して、より省エネ性、高効率性及び高耐久性を発揮する運転制御を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施の形態において、家庭用コージェネレーションシステムの概略構成図である。
【図２】同じく、マイクロコンピュータのブロック図である。
【図３】同じく、負荷データの蓄積及び運転状況の監視処理のフローチャートである。
【図４】同じく、定時監視処理のフローチャートである。
【図５】同じく、電力負荷予測と起動・停止時刻決定処理のフローチャートである。
【図６】同じく、電力負荷のサンプリング値の変化の状況を示す図である。
【図７】同じく、１時間の平均の電力負荷の日による変化の状況を示す図である。
【図８】同じく、電力負荷の変化状況と運転方法の選択結果との関係の例を示す説明図である。
【図９】同じく、電力負荷の変化状況と運転方法の選択結果との関係の例を示す説明図である。
【図１０】同じく、燃料電池の負荷追従性能を示す図である。
【図１１】同じく、発電出力と発電効率との関係を示す説明図である。
【図１２】本発明の第２実施の形態において、家庭用コージェネレーションシステムの概略構成図である。
【図１３】同じく、マイクロコンピュータのブロック図である。
【図１４】同じく、定時監視処理のフローチャートである。
【図１５】同じく、電力負荷予測と起動・停止時刻決定処理のフローチャートである。
【図１６】同じく、電力負荷予測と起動・停止時刻決定処理のフローチャートである。
【図１７】同じく、熱負荷の発生状況の例を示す図である。
【図１８】同じく、運転パターンの修正の例を示す説明図である。
【図１９】同じく、運転パターンの修正の例を示す説明図である。
【符号の説明】
１Ａ  家庭用コージェネレーションシステム
１Ｂ  家庭用コージェネレーションシステム
２  貯湯タンク
８  燃料電池
２２Ａ  マイクロコンピュータ
２２Ｂ  マイクロコンピュータ
２４  電力負荷処理手段
２７  定時偏差処理手段
２８  運転方法選択手段
２９  運転パターン選定手段
３０  運転方法変更手段
３１  運転方法返戻手段
３２  熱偏差処理手段
３３  蓄熱パターン選定手段
３４  データベース
４０  ヒータ
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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