JP2007040700A - コージェネレーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 実効効率を向上させ運転に係わるランニングコストを低減するコージェネレーションシステムを提供する。
【解決手段】 電力負荷４の状況に応じて出力制御手段２からの指令を受けて発電する発電装置１と、発電装置１で発生する熱を回収する排熱回収経路５と、排熱回収経路５で回収された熱を温水として貯える貯湯タンク９と、貯湯タンク９で貯えられた温水を所定の熱負荷２１に自動的に供給する自動温水供給手段１９および制御装置２８とを備え、電力大負荷時間帯の開始する際に、制御装置２８によって自動温水供給手段１９を作動させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発電装置において電気とともに発生する熱を回収して温水として供給するコージェネレーションシステムに関する。

従来のコージェネレーションシステムは、特開２００１−２５５０１０に示すように、図５のような構成をしていた。すなわち改質部５１から供給される水素と送風機５２から供給される空気中の酸素とを反応させて発電する燃料電池発電部５３と、燃料電池発電部５３で発生した熱を熱交換部５４に伝える冷却水循環路５５および循環ポンプ５６と、熱交換部５４で熱交換された熱を連通路５７を介して温水として貯える貯湯タンク５８とを備えていた。

貯湯タンク５８には給湯路５９と給水路６０とが設けられ、貯湯タンク５８内に貯えられた温水が給湯路５９から家庭の風呂などの熱負荷に供給されると給水路６０からは貯湯タンク５８内に水が補給される。この時、給湯路５９から供給される温水の温度が要求温度より高い場合は、給水路６０から分岐された分岐給水路６１の開閉弁６２を開き、水と温水を混合し適温にして供給する。また、給湯路５９から供給される温水の温度が要求温度より低い場合は、補助加熱器６３で加熱し適温にして供給する。なお、燃料電池発電部５３で発生した電気はインバータ６４で出力制御された後に家庭の電力負荷などに供給されるものである。

つぎに、この従来のコージェネレーションシステムの運転動作について説明する。燃料電池発電部５３は電力負荷があると発電運転を行い、この時発生する熱を温水として貯湯タンク５８内に貯えるが、貯湯タンク５８内が全て温水に沸上がると燃料電池発電部５３からの熱を排出することができなくなるためコージェネレーションシステムは発電運転を停止する。そして、熱負荷に温水を供給し貯湯タンク５８内の貯湯量が少なくなった時に再び発電運転を開始する。

これら発電運転動作の一例を図６に示す。図６は家庭における電力と温水の使用状況とコージェネレーションシステムの運転状況を示したもので、横軸は時刻を、縦軸は電力、温水量などのエネルギー量を示す。なお、右端の２４時を過ぎた場合は翌日の状況として左端の０時以降へ継続するものとする。

図６において、２１時ごろから風呂などへの温水供給量が増加し、沸上がっていた貯湯タンク５８内の貯湯量が減少し、それまで停止していた発電運転が開始され、以後電力負荷に追従して発電運転を継続する。そして翌日の１２時すぎに再び貯湯タンク５８内が全て温水に沸上がり発電運転を停止するものである。

しかしながら、従来のコージェネレーションシステムの運転では、夕刻から夜にかけての電力大負荷時間帯（図６の例では１７時ごろ〜２２時ごろ）に十分発電運転せず、電力負荷の少ない深夜から午前（図６の例では２２時ごろ〜翌日１２時ごろ）に発電運転を行うため、発電出力の小さい条件で運転することとなり、定格運転（最大出力運転）に比べて発電効率および排熱回収効率が低下するという課題があった。そのため、実効効率が低下し、運転に係わるランニングコストが増大するという課題があった。

本発明は、上記従来の課題を考慮し、実効効率を向上させ運転に係わるランニングコストを低減するコージェネレーションシステムを提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明のコージェネレーションシステムは、電力負荷の状況に応じて出力制御手段からの指令を受けて発電する発電装置と、発電装置で発生する熱を回収する排熱回収経路と、排熱回収経路で回収された熱を温水として貯える貯湯タンクと、貯湯タンクで貯えられた温水を所定の熱負荷に自動的に供給する自動温水供給手段および制御装置とを備え、電力大負荷時間帯の開始する際に、制御装置によって自動温水供給手段を作動させることを特徴とする。

また、本発明は、電力負荷検知手段を備え、電力負荷検知手段によって電力大負荷時間帯を検知すると、自動温水供給手段を作動させると有効である。

また、本発明は、さらに、計時手段を備え、計時手段において予め設定された電力大負荷時間帯の開始時刻に自動温水供給手段を作動させると有効である。

また、本発明は、さらに、記憶手段を備え、かつ、計時手段が計測し、記憶手段が記憶した前日までの電力大負荷時間帯の時間データにもとづいて予め設定された開始時刻に、自動温水供給手段を作動させると有効である。

また、本発明は、自動温水供給手段が、浴槽に予め設定された水量もしくは水位の温水を貯湯タンクから供給すると有効である。

また、本発明は、貯湯タンク内の貯湯量が所定量以上になったことを検知する第一の温度検知器と、貯湯タンク内の貯湯量が所定量以下になったことを検知する第二の温度検知器とを備え、第一の温度検知器が所定温度以上の温度を検知した時に発電装置の運転を停止し、第二の温度検知器が所定温度以下の温度を検知した時に発電装置の運転を開始すると有効である。

また、本発明は、第一の温度検知器は貯湯タンクの下部に設けられ、第二の温度検知器は貯湯タンクの第一の温度検知器より上方に設けると有効である。

また、本発明は、自動湯張り装置が作動した時には、第一の温度検知器が所定温度以下の温度を検知した時に発電装置の運転を開始し、いち早く貯湯タンクへの温水供給を開始するように制御されると有効である。

また、本発明は、発電装置が、水素と酸素を反応させて発電を行う燃料電池であると有効である。

本発明は、発電効率および排熱回収効率における実効効率を向上させ、運転に係わるランニングコストを低減させという効果を奏するものである。

また、本発明は、システムの発停が頻繁に行われることを防止し、起動時に係わるエネルギーを減少させ、起動停止の繰り返しによる耐久劣化を防止するという効果も奏するものである。

以下、本発明の実施の形態を、図面にもとづいて説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるコージェネレーションシステムのシステム構成図である。図１において、１は、発電装置で、出力制御手段２と電力負荷検知手段３を介して電力負荷４に接続されている。５は、排熱回収経路で、発電装置１と熱交換器６との間は冷却水循環ポンプ７を有する冷却水経路８で接続され、熱交換器６と貯湯タンク９との間は貯湯循環ポンプ１０を有する貯湯経路１１で接続されている。貯湯タンク９の下部には給水路１２が、貯湯タンク９の上部には給湯路１３が接続され、給水路１２から分岐された分岐給水路１４は給湯路１３に備えられた湯水混合弁１５に接続されている。給湯路１３の湯水混合弁１５の出口には、混合温度検知器１６、補助加熱器１７、給湯温度検知器１８がこの順に接続され、さらに自動温水供給手段１９としての自動湯張り装置２０を介して熱負荷２１としての浴槽２２へ接続されている。自動温水供給手段１９としての自動湯張り装置２０は、電磁弁２３、流量検知器２４、逆止弁２５などから構成され、計時手段２６や記憶手段２７などを備えた制御装置２８に電気的に接続されている。なお、浴槽２２以外の他の熱負荷、例えば定期的に温水を供給する暖房装置（図示せず）などに自動温水供給手段１９から温水を供給するシステムであっても良い。また、給湯温度検知器１８と自動温水供給手段１９との間から給湯路１３を分岐し、他の熱負荷２９、３０へ接続しても良い。また、上記計時手段２６、記憶手段２７、および制御手段２８はマイコン、メモリー等のコンピュータであっても構わないし、またこれらの手段を実現するためのプログラムであっても構わない。

つぎに、本実施の形態における動作を説明する。発電装置１で発生した電気は電力負荷検知手段３で検知された負荷に応じて出力制御手段２で出力制御された後に家庭などの電力負荷４に供給される。この時発生する熱は、冷却水循環ポンプ７による冷却水経路８内の水の循環で熱交換器６に伝えられ、さらに貯湯循環ポンプ１０による貯湯経路１１内の水の循環で貯湯タンク９へ伝えられる。貯湯タンク９内は常に水で満水になっており、貯湯タンク９下部から熱交換器６へ引き込まれた水が加熱され貯湯タンク９上部に戻されると、貯湯タンク９上部から順に熱い温水が層状に貯えられるいわゆる積層沸上げが形成されるものである。この貯湯タンク９内に貯えられた温水が熱負荷２１、２９、３０に供給されると、給水路１２から貯湯タンク９内に水が補給され前記温水層は上へ押し上げられるが、常に貯湯タンク９上部には熱い温水があるため、貯湯タンク９全体が沸上がっていなくても高い給湯温度を確保することができるものである。

熱負荷２１、２９、３０に温水を供給する時に、給湯路１３から供給される温水の温度が要求温度より高い場合は、給水路１２から分岐された分岐給水路１４からの水と温水とを湯水混合弁１５によって混合し適温にして供給する。また、給湯路１３から供給される温水の温度が要求温度より低い場合は、補助加熱器１７で加熱し適温にして供給する。なお、混合温度検知器１６と給湯温度検知器１８で検知された温度は、それぞれ湯水混合弁１５による混合度制御と補助加熱器１７の加熱量制御に用いられる。

自動温水供給手段１９としての自動湯張り装置２０から熱負荷２１としての浴槽２２へ温水を供給する場合は、まず電磁弁２３を開き、流量検知器２４によってカウントされた積算流量が予め設定された水量に達したら電磁弁２３を閉じ、自動湯張り動作を終了するものである。なお、浴槽２２へ供給する温水量制御は、流量検知器２４による積算流量制御に代って、水位センサー（図示せず）による浴槽水位制御で行っても良い。また、逆止弁２５は、自動湯張り動作中に断水等が発生し、浴槽２２内の水が貯湯タンク９内に逆流するようなことがあった場合、これを防止するためのものである。これら一連の動作は、制御装置２８によって制御されている。

つぎに、本実施の形態におけるコージェネレーションシステムの発電運転動作を説明する。前述の通り、発電装置１は電力負荷４に応じて発電運転を行い、この時、発生する熱を温水として貯湯タンク９内に貯えるが、貯湯タンク９内が全て温水に沸上がると発電装置１からの熱を排出することができなくなるためコージェネレーションシステムは発電運転を停止する。そして、熱負荷２１、２９、３０に温水を供給し貯湯タンク９内の貯湯量が少なくなった時に再び発電運転を開始する。ここで、本実施の形態のコージェネレーションシステムでは、制御装置２８は、電力大負荷時間帯の開始時刻に自動温水供給手段１９としての自動湯張り装置２０から熱負荷２１としての浴槽２２へ予め設定された水量の温水を供給する。

本実施の形態における、発電運転動作の一例を図２に示す。図２は家庭における電力と温水の使用状況とコージェネレーションシステムの運転状況を示したもので、横軸は時刻を、縦軸は電力、温水量などのエネルギー量を示す。なお、右端の２４時を過ぎた場合は翌日の状況として左端の０時以降へ継続するものとする。

図２において、電力負荷が大きくなる夕刻から夜にかけての電力大負荷時間帯（図２の例では１７時ごろ〜２２時ごろ）の開始時刻に、制御装置２８は自動温水供給手段１９としての自動湯張り装置２０から熱負荷２１としての浴槽２２へ予め設定された水量の温水を供給する。この時、沸上がっていた貯湯タンク９内の貯湯量が減少し、それまで停止していた発電運転が開始され、以後電力負荷に追従して発電運転を継続する。そして、２４時ごろに再び貯湯タンク９内が全て温水に沸上がり発電運転を停止するものである。なお、実際の入浴時間が後であっても、前記動作は自動的に行われるため、使用者にとっての不便は生じない。

また、上記電力大負荷時間帯は、一日の内で各世帯の電力負荷が、大きくなる時間帯であり、その時間帯は各世帯により異なり本実施の形態に限定されるものではない。

この発電運転動作においては、電力負荷の多い電力大負荷時間帯に発電運転を行うため、定格運転（最大出力運転）条件で運転することとなる。一般にコージェネレーションシステムの特性として、定格運転（最大出力運転）における発電効率および排熱回収効率に対し、発電出力を小さくした場合の発電効率および排熱回収効率は、放熱比率が増加するなどの理由により低下する傾向にある。本実施の形態の発電運転動作においては、従来の技術で述べたように発電出力の小さい状態で運転する場合に比べて、発電効率および排熱回収効率が最も高い条件で運転することとなり、その結果実効効率が向上し、運転に係わるランニングコストが安くて済むという効果を奏するものである。

つぎに、電力大負荷時間帯の開始時刻に自動温水供給手段１９から熱負荷２１への温水供給を開始する制御方法について説明する。第１の方法として、電力負荷検知手段３によって電力大負荷時間帯の開始を直接検知して、自動温水供給手段１９を作動させる方法がある。また、第２の方法として、計時手段２６において予め設定された電力大負荷時間帯の開始時刻に自動温水供給手段１９を作動させる方法がある。また、第３の方法として、当初は電力負荷検知手段３によって電力大負荷時間帯の開始を検知して、自動温水供給手段１９を作動させ、その後計時手段２６と記憶手段２７が記憶した前日までの電力大負荷時間帯の時間データにもとづいて、いわゆる学習機能によって自動温水供給手段１９を作動させる時間を決定する方法がある。この第３の方法は、第１の方法における一時的な電力負荷増大による誤作動を防止し、第２の方法における日々の電力大負荷時間帯のずれ（例えば、曜日毎の生活形態の違いによる開始時刻のずれ等）を補正し、両方法の欠点を補い電力大負荷時間帯を的確に把握する方法として有効である。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２におけるコージェネレーションシステムのシステム構成図である。実施の形態１と同様のものについては、同一符号を付与し、その説明を省略する。図３において、３１は貯湯タンク９の下部に設けられた第一の温度検知器で、３２は貯湯タンク９の第一の温度検知器３１より上方に設けられた第二の温度検知器である。

前述の通り、発電装置１は電力負荷４に応じて発電運転を行い、この時、発生する熱を温水として貯湯タンク９内に貯えるが、貯湯タンク９内が全て温水に沸上がると発電装置１からの熱を排出することができなくなるためコージェネレーションシステムは発電運転を停止する。そして、熱負荷２１、２９、３０に温水を供給し貯湯タンク９内の貯湯量が少なくなった時に再び発電運転を開始する。

この発電運転の停止および開始動作に関する制御について詳しく説明する。発電運転において発生する熱を温水として貯湯タンク９内に貯える際に、貯湯タンク９下部から熱交換器６へ引き込まれた水が加熱され貯湯タンク９上部に戻され、貯湯タンク９上部から順に熱い温水が層状に貯えられ、貯湯タンク９下部に設けられた第一の温度検知器３１の位置まで温水の境界層が達すると、第一の温度検知器３１が所定温度以上になったことを検知し、貯湯タンク９内の貯湯量が所定量以上になり沸上げが完了したことを認識して発電運転を停止する。一方、貯湯タンク９内に貯えられた温水が熱負荷２１、２９、３０に供給されると、給水路１２から貯湯タンク９内に水が補給され前記温水の境界層は上へ押し上げられ、貯湯タンク９の第一の温度検知器３１より上方に設けられた第二の温度検知器３２の位置まで温水の境界層が達すると、第二の温度検知器３２が所定温度以下になったことを検知し、貯湯タンク９内の貯湯量が減少したことを認識して発電運転を再び開始する。

ここで、２個の温度検知器で制御を行っているのは、発電運転停止後、貯湯量がわずかに減少した時点で運転を再開すると、貯湯量が増加しすぐに停止してしまうことになり、システムの発停が頻繁に行われそのためにシステムの耐久性に悪影響を及ぼす恐れがあるためである。すなわち、できる限り第一の温度検知器３１と第二の温度検知器３２との間の距離を設け、発電運転停止から発電運転開始までの時間間隔（いわゆるディファレンシャル）を大きく保つことが望ましい。

一方、実施の形態１で説明したように、貯湯タンク９内の温水を自動温水供給手段１９としての自動湯張り装置２０から熱負荷２１としての浴槽２２へ供給する場合は、予め設定された水量の温水を供給することが判っているため、すぐに発電運転を開始しても発電運転による温水出力より熱負荷への供給出力が大きければすぐに発電運転を停止することはない。

一般的には、浴槽へ温水を供給する時には１５〜３０ｋＷ程度の供給出力が必要で、家庭用コージェネレーションシステムの発電能力を１〜３ｋＷ、熱電比を２：１としても温水出力は２〜６ｋＷ程度と圧倒的に小さい。

そこで、本実施の形態では、自動温水供給手段１９としての自動湯張り装置２０が作動した時に限っては、第二の温度検知器３２ではなく第一の温度検知器３１が所定温度以下の温度を検知した時に発電運転を開始し、いち早く貯湯タンク９への熱供給を開始するように制御する。

この制御によって、電力大負荷時間帯の開始時刻に、遅れることなくすみやかに発電運転が開始されるため、電力大負荷時間帯における運転稼動率をさらに向上させることができるものである。

（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３におけるコージェネレーションシステムのシステム構成図である。実施の形態１、２と同様のものについては、同一符号を付与し、その説明を省略する。図４において、３３は発電装置としての燃料電池で、水素供給手段３４と酸素供給手段３５とが接続されている。燃料電池３３は、水素と酸素を電気化学的に反応させ発電するもので、水素は改質器などに代表される水素供給手段３４から供給され、酸素は送風機などに代表される酸素供給手段３５から供給されるものである。

燃料電池３３は、起動時に作動温度まで昇温するためのエネルギーが必要であり、また、起動停止の繰り返しにより耐久劣化を起こすという課題がある。発電装置として燃料電池３３を用いた場合、システムの発停が頻繁に行われることは、経済性の点からも耐久性の点からも好ましくない。したがって、実施の形態２で説明したような発電運転の制御方法は、発電装置として燃料電池３３を用いた場合に特に効果を奏するものである。

本発明のコージェネレーションシステムは、発電効率および排熱回収効率における実効効率を向上させ、運転に係わるランニングコストを低減させることが可能なコージェネレーションシステム等として有用である。

本発明の実施の形態１における、コージェネレーションシステムのシステム構成図 本発明の実施の形態１における、コージェネレーションシステムの運転動作図 本発明の実施の形態２における、コージェネレーションシステムのシステム構成図 本発明の実施の形態３における、コージェネレーションシステムのシステム構成図 従来のコージェネレーションシステムのシステム構成図 従来のコージェネレーションシステムの運転動作図

符号の説明

１ 発電装置
２ 出力制御手段
３ 電力負荷検知手段
４ 電力負荷
５ 排熱回収経路
９ 貯湯タンク
１９ 自動温水供給手段
２０ 自動湯張り装置
２１ 熱負荷
２２ 浴槽
２６ 計時手段
２７ 記憶手段
２８ 制御装置
３１ 第一の温度検知器
３２ 第二の温度検知器
３３ 燃料電池

Claims (9)

1. 電力負荷の状況に応じて出力制御手段からの指令を受けて発電する発電装置と、前記発電装置で発生する熱を回収する排熱回収経路と、前記排熱回収経路で回収された熱を温水として貯える貯湯タンクと、前記貯湯タンクで貯えられた温水を所定の熱負荷に自動的に供給する自動温水供給手段および制御装置とを備え、電力大負荷時間帯が開始する際に、前記制御装置によって前記自動温水供給手段を作動させるコージェネレーションシステム。
2. さらに、電力負荷検知手段を備え、前記電力負荷検知手段によって電力大負荷時間帯の開始が検知されると、前記制御装置によって前記自動温水供給手段を作動させる請求項１記載のコージェネレーションシステム。
3. さらに、計時手段を備え、前記計時手段において予め設定された電力大負荷時間帯の開始時刻に、前記制御装置によって前記自動温水供給手段を作動させる請求項１記載のコージェネレーションシステム。
4. さらに、記憶手段を備え、前記計時手段が計測し、かつ前記記憶手段が記憶した前日までの電力大負荷時間帯の時間データにもとづいて、予め設定された前記開始時刻に、前記制御装置が前記自動温水供給手段を作動させる請求項３記載のコージェネレーションシステム。
5. 前記自動温水供給手段は、浴槽に予め設定された水量もしくは水位の温水を前記貯湯タンクから供給する自動湯張り装置である請求項１〜４のいずれかに記載のコージェネレーションシステム。
6. 前記貯湯タンク内の貯湯量が所定量以上になったことを検知する第一の温度検知器と、前記貯湯タンク内の貯湯量が所定量以下になったことを検知する第二の温度検知器とを備え、前記第一の温度検知器が所定温度以上の温度を検知すると前記発電装置の運転を停止し、前記第二の温度検知器が所定温度以下の温度を検知すると前記発電装置の運転を開始する請求項５記載のコージェネレーションシステム。
7. 前記第一の温度検知器は前記貯湯タンクの下部に設けられ、前記第二の温度検知器は貯湯タンクの前記第一の温度検知器より上方に設けられた請求項６記載のコージェネレーションシステム。
8. 前記自動湯張り装置が作動した時には、前記第一の温度検知器が所定温度以下の温度を検知した時に前記発電装置の運転を開始し、いち早く貯湯タンクへの温水供給を開始するように制御された請求項７記載のコージェネレーションシステム。
9. 前記発電装置が、水素と酸素を反応させて発電を行う燃料電池である請求項１〜８のいずれかに記載のコージェネレーションシステム。

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