(57)【要約】【課題】  自家内消費電力量の広い範囲においてエネルギ効率を高めること。【解決手段】  インバータ回路４３は、電気負荷１５での消費電力量に応じた発電量を出力するように制御される。消費電力量が設定値（例えば、８００ワット）以下のときはインバータ回路４３の入口から取り出した発電出力がヒータスイッチ１６を介して温水ヒータ１７に供給される。温水ヒータ１７は排熱回収部である貯湯タンク内の水を加熱する。温水ヒータ１７に供給される電力は消費電力量が小さくなるほど大きくなるように設定されている。消費電力量の低下分はヒータ電力で相殺され、全体として低消費電力量の範囲でも総発電量を一定にする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部系統と系統連系された自家発電設備と、
前記自家発電設備の排熱を回収する排熱回収部とを有するコジェネレーション装置において、
自家内消費電力量が設定下限値以上では、この自家内消費電力量の増加に応じて総発電量が増加するように前記自家発電設備を運転するとともに、
自家内消費電力量が前記設定下限値以下の領域では、設定下限値に対する余剰電力を熱に変換して前記排熱回収部へ供給するように構成することによって、この設定下限値以下では前記総発電量をほぼ一定に維持することを特徴とするコジェネレーション装置。
【請求項２】
自家内消費電力量の増加に応じて発電量が増加する発電出力特性と、
自家内消費電力量の減少に応じて前記排熱回収部へ供給する電力量を増加させる余剰電力供給特性とを有し、
自家内消費電力量が前記設定下限値以下では、前記発電出力特性と前記余剰電力特性とが重畳されるように構成されたことを特徴とする請求項１記載のコジェネレーション装置。
【請求項３】
自家内消費電力量の上限値をさらに設定し、前記総発電量は前記自家内消費電力量が前記設定下限値および前記設定上限値においてはほぼ一定に維持され、前記設定下限値および設定上限値の間では連続的に可変制御されることを特徴とする請求項１記載のコジェネレーション装置。
【請求項４】
前記自家発電設備が、前記排熱回収部からの熱要求信号に応じて運転するように構成されたことを特徴とする請求項１記載のコジェネレーション装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コジェネレーション装置に関し、特に、高いエネルギ効率で運転することができるコジェネレーション装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境問題に対する取り組みから、エネルギの有効利用を図ることができる自家発電装置としてのコジェネレーション装置が注目されてきている。この種のコジェネレーション装置において、発電に伴う熱出力を発電出力と同時に消費しきれない場合を考慮し、発電出力を系統に連系させるとともに熱優先の運転を行うようにすることが行われている（特開２０００−８７８０１号公報）。このコジェネレーション装置は、熱負荷からの熱要求があるときにのみ運転し、熱負荷がないときは系統から電力供給を受けることによって、トータルとして運転効率を高めている。
【０００３】
また、特開２０００−２９７９６３号公報に記載されているように、熱出力と熱需要との間の緩衝器として貯湯タンクを設け、この貯湯タンク内に温水として熱を蓄え、発電運転時以外でも熱需要に応じて熱を取り出せるようにすることも提案されている。
【０００４】
この種のコジェネレーション装置を含む自家発電装置においては、系統への逆潮流を防止することも含めて、発電設備による総発電量の制御が必要になる場合がある。
【０００５】
総発電量を制御するにあたっては、次の二つの方式が考えられる。第１の方式では、図８に示したように、負荷電力量つまり自家内消費電力に応じて発電量を可変制御する。発電した電力をすべて負荷で消費するので高い発電効率で運転できる。第２の方式では、図９に示したように、負荷電力量の変動にかかわらず発電量は一定値とし、余剰電力が生じた場合は予め用意したヒータ等の電力消費手段へこの余剰電力を供給する。このことにより熱回収効率を高く維持でき、負荷電力が小さい場合であってもエネルギ効率の低下が抑制される。
【特許文献１】特開２０００−８７８０１号公報
【特許文献２】特開２０００−２９７９６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記第１の方式は、高い発電効率での運転が可能であるという長所を有する反面、熱回収効率は発電出力の低下に伴って低下するため、発電出力が小さい領域では全体としてエネルギ効率が大きく低下するという短所があり、この短所を克服するという課題を有する。
【０００７】
また、上記第２の方式では、負荷電力が小さくても高い熱回収効率を得られるという長所を有する反面、負荷電力が小さい場合に、余剰電力が極端に大きくなって発電効率が低下するという短所があり、この短所を克服するという課題を有する。
【０００８】
本発明の目的は、上記課題に対してなされたものであり、上記両方式の長所を生かして、発電効率および熱回収効率の改善を図ることができるコジェネレーション装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明は、外部系統と系統連系された自家発電設備と、前記自家発電設備の排熱を回収する排熱回収部とを有するコジェネレーション装置であって、自家内消費電力量が設定下限値以上では、この自家内消費電力量の増加に応じて総発電量が増加するように前記自家発電設備を運転するとともに、自家内消費電力量が前記設定下限値以下の領域では、設定下限値に対する余剰電力を熱に変換して前記排熱回収部へ供給するように構成することによって、この設定下限値以下では前記総発電量をほぼ一定に維持する点に第１の特徴がある。
【００１０】
また、本発明は、自家内消費電力量の増加に応じて発電量が増加する発電出力特性と、自家内消費電力量の減少に応じて前記排熱回収部へ供給する電力量を増加させる余剰電力供給特性とを有し、自家内消費電力量が前記設定下限値以下では、前記発電出力特性と前記余剰電力特性とが重畳されるように構成された点に第２の特徴がある。
【００１１】
また、本発明は、自家内消費電力量の上限値をさらに設定し、前記総発電量は前記自家内消費電力量が前記設定下限値および前記設定上限値においてはほぼ一定に維持され、前記設定下限値および設定上限値の間では連続的に可変制御される点に第３の特徴がある。
【００１２】
さらに、本発明は、前記自家発電設備が、前記排熱回収部からの熱要求信号に応じて運転するように構成された点に第４の特徴がある。
【発明の効果】
【００１３】
上記第１の特徴を有する本発明によれば、自家内消費電力量が大きいときには自家内消費電力量に応じて発電出力を増減することにより発電出力を効率的に消費できる。つまり発電効率が高い。そして、このときの発電出力は負荷量に応じて最適に増減されるため、運転に伴う排熱回収量も負荷量に応じた最小値に抑制できる。したがって、蓄積される排熱回収量に余力をもたせることも可能になり、熱要求があるときのみ運転する場合において、稼働時間を高めることができる。
【００１４】
また、自家内消費電力量が少ない場合でも、排熱回収部へ余剰電力が供給されるように構成することによって、総発電量は一定に維持されるように運転できる。したがって排熱回収の効率低下を抑制できる。さらに、余剰電力を排熱回収部で利用できるようにして全体的にエネルギ効率を高めることができる。
【００１５】
第２の特徴によれば、発電出力特性と余剰電力供給特性との組み合わせにより、簡単な構成で総発電量をほぼ一定に維持することができる。また、自家内消費電力量が設定下限値以上になれば、自家内消費電力量の増加に応じて簡単に総発電量を増加させることもできる。
【００１６】
第３の特徴によれば、総発電量を自家内消費電力量の設定上限値と設定下限値とにおいてほぼ一定に維持するので、運転が安定し、機器管理上も好ましい。また、設定上限値において総発電量を一定に維持することによって、大量の熱の発生を抑制することができるため、回収熱量の余剰を抑制することができる。したがって、全体としてエネルギ効率を低下させることなく稼働率を高めることができる。
【００１７】
第４の特徴によれば、熱要求信号が入力されるのを条件として運転されるので、排熱回収効率を高めても、熱利用について無駄が生じることが少ない運転が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に図面を参照して本発明の一実施形態を詳細に説明する。図１はコジェネレーション装置１の電力系統を示すブロック図である。同図において、コジェネレーション装置１は、エンジン２、エンジン２で駆動される発電機３、発電機３の出力を制御するインバータ装置４、およびエンジン２で発生した熱を回収する熱媒体（冷却水）循環管路５が設けられる。熱媒体循環管路５は、エンジン２よびエンジンオイル熱交換器６を通過して熱回収するとともに、エンジン２の排気経路に設けられた排気熱交換器７を通過して排熱を回収する。熱回収して温度が上昇した熱媒体は図示しない排熱利用機器（排熱回収部）としての貯湯タンクに給送されて、この貯湯タンク内の水を加熱するのに使用される。発電機３は貯湯タンクからの熱要求信号に応じて運転開始され、この熱要求信号の消滅により運転を停止する。例えば、貯湯タンク内の温水の温度が設定温度以下に低下したときに熱要求信号が発生し、温水の温度が設定温度以上に上昇した場合に熱要求信号は消滅する。
【００１９】
インバータ装置４は、三相ブリッジ回路４１、昇圧回路４２、インバータ回路（インバータブリッジ回路）４３、およびノイズフィルタ４４を備える。インバータ装置４の出力側は漏電検知器付きブレーカ８を介して連系端子９に接続される。配電盤１０は、コジェネレーション専用ブレーカ１１、負荷用ブレーカ１２、およびメインブレーカ１３を備え、商用電力系統（単に「系統」という）１４からの電力およびインバータ装置４の発電電力が連系して一般電気負荷１５に供給されるように接続される。
【００２０】
インバータ装置４のインバータ回路４３の入力側はヒータスイッチ１６を介して外部の温水ヒータ１７に接続される。温水ヒータ１７は、前記貯湯タンク内に給水される水を加熱する。ヒータスイッチ１６を制御するヒータ制御部１８が設けられる。ヒータスイッチ１６はヒータ制御部１８から入力される指令に従って温水ヒータ１７に流れる電流を変化させる半導体スイッチング素子で構成できる。
【００２１】
ＥＣＵ１９はマイクロコンピュータを含み、インバータ４の出力電力、および系統１４からの供給電力に基づいてエンジン２およびインバータ装置４の制御を行う。ヒータ制御部１８はＥＣＵ１９の機能として構成することができる。
【００２２】
発電機３の発電出力は三相ブリッジ回路４１で整流される。整流された電圧は昇圧回路４２で所定の電圧値に昇圧された後、インバータ回路４３で所定周波数（商用周波数）の交流に変換され、ノイズフィルタ４４を経て出力される。インバータ装置４の出力電力は、系統１４と連系して電気負荷１５に供給される。
【００２３】
上記構成のインバータ装置４と温水ヒータ１７の制御方式を説明する。図２は、インバータ装置４の発電出力目標値マップの例である。同図において、発電出力目標値は自家内消費電力（＝電気負荷）の関数として設定される。自家内消費電力はインバータ装置４の発電出力と系統１４からの供給電力によってまかなわれる。この例では、自家内消費電力の大きさに比例して発電出力目標値が増大する。但し、発電出力目標値は自家内消費電力が１２００ワット以下の領域では、自家内消費電力に追随するが、自家内消費電力が１２００ワット以上の領域では、１２００ワットに固定される。したがって、１２００ワット以上の自家内消費電力に対しては不足分が系統１４からの電力でまかなわれることになる。ＥＣＵ１９はこのマップを使用して自家内消費電力に応じたインバータ装置４の発電出力目標値を決定し、インバータ回路４３のスイッチング素子を制御する。
【００２４】
図３は、温水ヒータ１７に供給する電力（ヒータ電力）の目標値マップである。ヒータ電力目標値は自家内消費電力（＝電気負荷）の関数として設定される。ヒータ電力目標値は自家内消費電力の増大に伴って低下するように設定され、自家内消費電力が８００ワット以上では、温水ヒータ１７には電力が供給されない。つまりヒータスイッチ１６は自家内消費電力が８００ワット以上ではヒータ電力をゼロにしており、自家内消費電力が８００ワット以下のときに自家内消費電力に反比例したヒータ電力を温水ヒータ１７に供給するように制御される。
【００２５】
図４は、図２，図３のマップを同時に適用してコジェネレーション装置を運転したときのエンジン負荷電力を自家内消費電力の関数として示した図である。同図に示すように、自家内消費電力が設定下限値である８００ワット以下の領域では第２の運転モードで運転され、インバータ装置４の出力制御によって自家内消費電力に応じてエンジン負荷電力は増大する一方、温水ヒータ１７に供給される分の電力負荷は自家内消費電力に応じて低減される。その結果、両者が相殺され、この領域ではエンジン負荷電力は８００ワット一定に維持される。
【００２６】
また、自家内消費電力が設定下限値である８００ワット以上１２００ワット以下の領域では、温水ヒータ１７は付勢されていないのでエンジンに対する電力負荷とはならないので、図２に示した発電出力目標値に従ってインバータ装置４の出力が変化する。つまり自家内消費電力の増大に応じてエンジン負荷電力は増大する第１のモードで運転される。自家内消費電力が１２００ワット以上の領域ではインバータ装置４の出力は一定に維持されるので、エンジンの電力負荷も変化しない。
【００２７】
図５はＥＣＵ１９のインバータ回路４３の制御に係るフローチャートである。ステップＳ１では、電気負荷１５の大きさを検出する。ステップＳ２では、電気負荷１５の大きさが１２００ワット以上か否かを判別する。ステップＳ２が肯定ならば、ステップＳ３に進んで発電出力目標値を１２００ワットにセットする。ステップＳ２が否定、つまり電気負荷１５の大きさが１２００ワット以下であればステップＳ４に進んで、図２のマップを参照して電気負荷１５の大きさに比例した発電出力目標値としてセットする。ステップＳ５では、ステップＳ３およびステップＳ４でセットされた発電出力目標値に応じたデューティ比でインバータ回路４３のスイッチング素子をデューティ制御してインバータ回路４３の出力を所望値にする。
【００２８】
図６はヒータ制御部１８の動作を示すフローチャートである。ステップＳ１１では、電気負荷１５の大きさを検出する。ステップＳ１２では電気負荷１５の大きさが８００ワット以下か否かを判別する。ステップＳ１２が肯定ならばステップＳ１３に進み、図３のマップを参照して電気負荷１５の大きさに反比例したヒータ電力目標値を決定する。ステップＳ１２が否定、つまり電気負荷１５の大きさが８００ワット以上であったならば、ステップＳ１４に進んでヒータ電力目標値をゼロにする。ステップＳ１５では、ステップＳ１３，Ｓ１４で決定されたヒータ電力目標値に従ってヒータスイッチ１６を制御し、温水ヒータ１７に所望の電力を供給する。
【００２９】
図７は、発電出力と効率の関係を示す図であり、図７Ａは本実施形態による上記制御を行った場合のものであり、図７Ｂは従来技術によるものである。図７Ｂによれば、発電効率は、負荷に追従した電力を出力するようにした場合（線Ａ１）、１．２キロワットまでのすべての領域で、１．２キロワットに出力を固定した場合（線Ａ２）と比べて勝っている。しかし、熱回収効率を勘案した総合効率では、負荷に追従した電力を出力するようにした場合（線Ｂ１）、発電出力が０．５キロワット以下では、１．２キロワットに出力を固定した場合（線Ｂ２）と比べて総合効率が劣っている。
【００３０】
一方、図７Ａに示した本実施形態のように８００ワット以下の電気負荷時には温水ヒータ１７を運転し、８００ワット以上の電気負荷時にはこの負荷に追従した発電出力が得られるようにする運転では、発電効率（線Ａ３）だけでなく、熱回収効率を勘案した総合効率（線Ｂ３）においても、全負荷領域において１．２キロワットに発電出力を固定した場合（線Ａ４）および（線Ｂ４）と比べて勝っている。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態に係るコジェネレーション装置の電力系統を示すブロック図である。
【図２】自家内消費電力の関数である発電出力目標値のマップの一例を示す図である。
【図３】自家内消費電力の関数であるヒータ電力のマップの一例を示す図である。
【図４】自家内消費電力に対応したエンジン負荷電力の一例を示す図である。
【図５】インバータ回路の要部処理を示すフローチャートである。
【図６】ヒータ制御部の要部処理を示すフローチャートである。
【図７Ａ】従来例に係るコジェネレーション装置の効率の例を示す図である。
【図７Ｂ】本発明の一実施形態に係るコジェネレーション装置の効率を示す図である。
【図８】従来の総発電量の制御方式の一例を示す図である。
【図９】従来の総発電量の制御方式の他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１…コジェネレーション装置、  ２…エンジン、  ３…発電機、  ４…インバータ装置、  ５…熱媒体循環管路、  ６…オイル熱交換器、  ７…排気熱交換器、  １０…配電盤、  １４…系統、  １５…電気負荷、  １６…ヒータスイッチ、１７…温水ヒータ、  １８…温水制御部、  １９…ＥＣＵ、  ４３…インバータ回路
【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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