JP2015119575A - エネルギー管理システム及びエネルギー管理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池のエネルギー変換効率を考慮した上で、所定の目的に応じて電力供給装置の運転パターンを算出することが可能なエネルギー管理システム及びエネルギー管理方法を提供する。【解決手段】燃料を消費して発電することが可能であると共に、排熱を貯湯タンクに蓄熱することが可能な燃料電池を含む、少なくとも１つの電力供給装置と、商用電源及び前記電力供給装置からの電気エネルギーを消費する電力負荷と、燃料電池からの熱エネルギーを消費する熱負荷と、所定期間（１日）において電力負荷で消費される電気エネルギーのパターン及び前記所定期間において熱負荷で消費される熱エネルギーのパターンに基づいて、所定の目的に応じた前記電力供給装置の運転パターンを算出する制御装置と、を具備するエネルギー管理システムであって、制御装置は、前記電力供給装置の運転パターンを算出する際に、燃料電池のエネルギー変換効率を考慮する。【選択図】図５

Description

本発明は、所定の目的に応じて電力供給装置の運転パターンを算出することが可能なエネルギー管理システム及びエネルギー管理方法の技術に関する。

従来、所定の目的に応じて電力供給装置（特に、燃料電池を含む電力供給装置）の運転パターンを算出することが可能なエネルギー管理システム及びエネルギー管理方法の技術は公知となっている。例えば、特許文献１に記載の如くである。

特許文献１には、蓄電池と、燃料電池（第１の発電装置）と、燃料電池の運転パターンを算出する制御装置（エネルギー管理装置）と、を具備するエネルギー管理システムが記載されている。このエネルギー管理システムにおいて、制御装置は、蓄電池の蓄電電力（充電された電力）が所定時刻まで徐々に減少して当該所定時刻において０になるような、蓄電池及び燃料電池（電力供給装置）の運転パターン（制御スケジュール）を算出する。制御装置は、算出された運転パターンに基づいて電力供給装置の運転を制御することで、蓄電池の蓄電電力を、所定時刻以前に使い切ってしまうのを防止することができる。これによって、電力が必要な時間帯に蓄電池の蓄電電力が不足する事態を防止することができる。

この他、所定の目的に応じた電力供給装置の運転パターンを算出することが可能なエネルギー管理システムは種々提案されている。しかしながら、従来のエネルギー管理システムでは、燃料電池のエネルギー変換効率まで考慮されたものは無く、改善の余地があった。

特開２０１３−７４６８９号公報

本発明は以上の如き状況に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、燃料電池のエネルギー変換効率を考慮した上で、所定の目的に応じて電力供給装置の運転パターンを算出することが可能なエネルギー管理システム及びエネルギー管理方法を提供することである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、燃料を消費して発電することが可能であると共に、発電する際に発生する排熱を貯湯タンクに蓄熱することが可能な燃料電池を含む、少なくとも１つの電力供給装置と、商用電源及び前記電力供給装置からの電気エネルギーを消費する電力負荷と、前記燃料電池からの熱エネルギーを消費する熱負荷と、所定期間において前記電力負荷で消費される電気エネルギーのパターン及び前記所定期間において前記熱負荷で消費される熱エネルギーのパターンに基づいて、所定の目的に応じた前記電力供給装置の運転パターンを算出する制御装置と、を具備するエネルギー管理システムであって、前記制御装置は、前記電力供給装置の運転パターンを算出する際に、前記燃料電池のエネルギー変換効率を考慮するものである。

請求項２においては、前記制御装置は、前記燃料電池のエネルギー変換効率として、前記燃料電池が消費する燃料の量と前記燃料電池が発電する電力量との関係を用いるものである。

請求項３においては、前記制御装置は、前記燃料電池のエネルギー変換効率として、前記燃料電池が消費する燃料の量と前記燃料電池が蓄熱する熱量との関係を用いるものである。

請求項４においては、前記電力供給装置は、太陽光を利用して発電可能な太陽光発電部及び／又は電力を充放電可能な蓄電装置を含むものである。

請求項５においては、燃料を消費して発熱することが可能な補助熱源をさらに具備し、前記制御装置は、前記電力供給装置の運転パターンを算出する際に、以下の数１から数８までに表される状態空間モデルを用い、

前記制御装置は、前記燃料電池が消費する燃料の量と前記燃料電池が発電する電力量との関係から前記燃料電池発電係数及び前記燃料電池発電電力の定常損失を算出すると共に、前記燃料電池が消費する燃料の量と前記燃料電池が蓄熱する熱量との関係から前記燃料電池排熱回収係数及び前記燃料電池排熱回収量の定常損失を算出するものである。

請求項６においては、燃料を消費して発電することが可能であると共に、発電する際に発生する排熱を貯湯タンクに蓄熱することが可能な燃料電池を含む、少なくとも１つの電力供給装置の運転パターンを算出するエネルギー管理方法であって、商用電源及び前記電力供給装置からの電気エネルギーを消費する電力負荷において所定期間に消費される電気エネルギーのパターン、及び前記燃料電池からの熱エネルギーを消費する熱負荷において前記所定期間に消費される熱エネルギーのパターン、並びに前記燃料電池のエネルギー変換効率に基づいて、所定の目的に応じた前記電力供給装置の運転パターンを算出するものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、燃料電池のエネルギー変換効率を考慮した上で、所定の目的に応じて電力供給装置の運転パターンを算出することができる。

請求項２においては、燃料電池のエネルギー変換効率を簡単に表すことができ、当該エネルギー変換効率を容易に考慮することができる。

請求項３においては、燃料電池のエネルギー変換効率を簡単に表すことができ、当該エネルギー変換効率を容易に考慮することができる。

請求項４においては、太陽光発電部及び／又は蓄電装置を含めた電力供給装置の運転パターンを算出することができる。

請求項５においては、混合整数計画問題とよばれる数理計画手法を用いることができ、所定の目的における最も効果的な運転パターンを容易に算出することができる。

請求項６においては、燃料電池のエネルギー変換効率を考慮した上で、所定の目的に応じて電力供給装置の運転パターンを算出することができる。

第一実施形態に係るエネルギー管理システムの全体的な構成を示したブロック図。 エネルギー管理システムの制御装置と接続される機器を示したブロック図。 電力負荷パターンを示す図。 熱負荷パターンを示す図。 （ａ）燃料電池ガス消費量と発電電力量との関係を示す図。（ｂ）燃料電池のガス消費量と排熱の回収量との関係を示す図。 （ａ）電気料金テーブルを示す図。（ｂ）ガス料金テーブルを示す図。 算出された運転パターンに従った電力供給装置の運転例（電力に関するもの）を示した図。 算出された運転パターンに従った電力供給装置の運転例（熱量に関するもの）を示した図。 電力供給装置の制御方法の設計の流れを示した図。 燃料電池のエネルギー損失を示した図。 修正された運転パターンに従った電力供給装置の運転例（電力に関するもの）を示した図。 修正された運転パターンに従った電力供給装置の運転例（熱量に関するもの）を示した図。 センターサーバを用いた変形例を示したブロック図。 エネルギー管理システムをリアルタイムに制御する流れを示した図。

まず、図１及び図２を用いて、本発明の実施の一形態（第一実施形態）に係るエネルギー管理システム１の構成について説明する。

エネルギー管理システム１は、住宅等に設けられ、所定の目的に応じて電力供給装置の運転パターン（詳細については、後述する）を算出し、当該運転パターンに基づいて当該電力供給装置の運転を制御するものである。エネルギー管理システム１は、主として太陽光発電部２、蓄電装置３、燃料電池４、電力負荷５、熱負荷６及び制御装置７を具備する。

図１に示す太陽光発電部２は、本発明に係る電力供給装置の実施の一形態である。太陽光発電部２は、自然エネルギーである太陽光を利用して発電する装置であり、太陽電池パネル等により構成される。太陽光発電部１０は、例えば、住宅の屋根の上等の日当たりの良い場所に設置される。

蓄電装置３は、本発明に係る電力供給装置の実施の一形態である。蓄電装置３は、電力の充放電が可能なものであって、商用電源１１（電力会社の電力系統）に接続した状態で運用される系統連系型の蓄電装置（蓄電池）である。蓄電装置３は、リチウムイオン電池等により構成される。蓄電装置３は、商用電源１１に接続した状態で当該商用電源１１と連系動作し、後述する電力負荷５に電力を供給可能とされる。

燃料電池４は、本発明に係る電力供給装置の実施の一形態である。燃料電池４は、供給される燃料（本実施形態においては、ガス燃料）を用いて発電することが可能なものである。また、燃料電池４は貯湯タンク（不図示）を備え、発電時に発生する熱（排熱）を用いて当該貯湯タンク内で湯を沸かす（すなわち、当該排熱を貯湯タンク内に蓄熱する）ことができる。また、燃料電池４は補助熱源（燃料を用いて湯を沸かす給湯装置）（不図示）を備え、必要な場合に湯を沸かすことができる。

なお、前記補助熱源は、燃料電池４（の内部）に備えられているものに限らず、燃料電池４とは別に設けられていても良い。

電力負荷５は、前記住宅等に設けられ、電気エネルギー（電力）を消費する電気製品等である。例えば、電力負荷５には、照明器具、テレビ、洗濯機等が含まれる。

熱負荷６は、前記住宅等に設けられ、熱エネルギーを消費するものである。例えば、熱負荷６には、お湯を供給する給湯設備、床暖房等の暖房設備等が含まれる。

図２に示す制御装置７は、種々の情報に基づいて電力供給装置の運転パターンを算出し、当該電力供給装置の運転を制御するものである。制御装置７としては、住宅等に設けられたＨＥＭＳ（Ｈｏｍｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）が用いられる。制御装置７には、予め電気料金及びガス料金の単価が入力される。

制御装置７は太陽光発電部２に接続され、当該太陽光発電部２で発電された電力に関する情報等の、当該太陽光発電部２に関する種々の情報を受信することができる。

制御装置７は蓄電装置３に接続され、当該蓄電装置３に充電された電力量（蓄電量）に関する情報等の、当該蓄電装置３に関する種々の情報を受信することができる。また、制御装置７は、蓄電装置３に充電電力及び放電電力の指令を出し、当該蓄電装置３の運転を制御することができる。

制御装置７は燃料電池４に接続され、当該燃料電池４の貯湯タンクに蓄えられた湯の量に関する情報、当該貯湯タンクに蓄えられた熱量（蓄熱量）に関する情報等の、当該燃料電池４に関する種々の情報を受信することができる。また、制御装置７は、燃料電池４に起動及び停止する時間の指令を出し、当該燃料電池４の運転を制御することができる。

次に、上述の如く構成されたエネルギー管理システム１全体の運転の概要について説明する。

エネルギー管理システム１（図１参照）において、太陽光発電部２で発電された電力は、適宜蓄電装置３及び電力負荷５へと供給される。また、太陽光発電部２で発電された電力のうち、余剰分（余剰電力）は、商用電源１１から電力（系統電力）を購入（買電）していない場合に限り、当該商用電源１１（電力会社）へと逆潮流（売電）される。

燃料電池４は、ガス会社１２から購入したガス燃料を用いて発電することができる。燃料電池４で発電された電力は、適宜蓄電装置３及び電力負荷５へと供給される。また、燃料電池４は、排熱を回収して前記貯湯タンクで湯を沸かし、当該湯を適宜熱負荷６へと供給する。また、燃料電池４は、貯湯タンクに湯が溜まっていない場合等には、前記補助熱源を用いて湯を沸かし、当該湯を適宜熱負荷６へと供給する。また、燃料電池４の貯湯タンクの熱量は、必要に応じて外部に排出される（捨てられる）。
なお、本実施形態においては、燃料電池４の発電電力は、電力負荷５と蓄電装置３の充電電力に追従して発電を行うものとする。

蓄電装置３は、太陽光発電部２及び燃料電池４からの電力、並びに商用電源１１からの電力を充電する。また、蓄電装置３は、充電された電力（蓄電電力）を適宜電力負荷５へと供給する。

制御装置７は、所定の目的に応じた上記各電力供給装置の運転パターンを算出し、当該運転パターンに従って各電力供給装置（本実施形態においては、特に蓄電装置３）の運転を制御する。

電力負荷５は、太陽光発電部２、蓄電装置３及び燃料電池４からの電力、並びに商用電源１１からの電力（電気エネルギー）を消費して作動することができる。
また、熱負荷６は、燃料電池４（より詳細には、燃料電池４の貯湯タンク及び補助熱源）からの湯（すなわち、熱エネルギー）を消費することができる。

次に、所定の目的に応じた太陽光発電部２、蓄電装置３及び燃料電池４の運転パターンを算出するための、エネルギー管理システム１のモデル化について説明する。

なお、エネルギー管理システム１のモデル化に際しては、所定期間における電力負荷５で消費される電力の時間変化のパターン（電力負荷パターン）及び熱負荷６で消費される熱エネルギーの時間変化のパターン（熱負荷パターン）は、予め制御装置７に記憶されているものとする。

本実施形態においては、図３に示す電力負荷パターン及び図４に示す熱負荷パターンが制御装置７に記憶されるものとする。当該電力負荷パターン及び熱負荷パターンとしては、予め学習されたデータや、制御装置７（ＨＥＭＳ）によって推定されたデータ等を用いることが可能である。図に示すように、本実施形態に係る電力負荷パターン及び熱負荷パターンは、１日（０時から２４時まで）の期間におけるものとする。また、電力負荷パターン及び熱負荷パターンは、５分間隔に得られたデータを用いて作成されているものとする。

エネルギー管理システム１は、下記の数１に示すような状態空間モデルによってモデル化することができる。

ここで、ｔは時刻を意味するものである。本実施形態においては、電力負荷パターン及び熱負荷パターンとして５分間隔に得られたデータを用いていることから、ｔ＝０の場合には時刻０時０分を、ｔ＝１の場合には時刻０時５分を、ｔ＝２の場合には時刻０時１０分を、それぞれ意味する。

また、上記数１の各変数及び係数は以下の数２から数８によって表される。

なお、上記数３における各入力量の供給の様子を、図１に示している。以下では、上記数３で表される入力量を、本実施形態に係る電力供給装置（太陽光発電部２、蓄電装置３及び燃料電池４）の「運転パターン」と称する。

なお、上記数５における蓄電装置３の自己放電を考慮した係数の値は、通常（自己放電による蓄電装置３の蓄電量の減少を考慮しない場合）は１であるものとする。自己放電による蓄電装置３の蓄電量の減少を考慮する場合、蓄電装置３の自己放電を考慮した係数の値は１よりも小さい値とする。
また、上記数５における燃料電池４の貯湯タンクの放熱を考慮した係数の値は、通常（貯湯タンクからの放熱を考慮しない場合）は１であるものとする。貯湯タンクからの放熱（損失）を考慮する場合、燃料電池４の貯湯タンクの放熱を考慮した係数の値は１よりも小さい値とする。

なお、上記数６及び数７における蓄電装置充電効率、蓄電装置放電効率及び補助熱源発熱係数は、蓄電装置３及び燃料電池４の補助熱源の性能に基づいて予め決まっている値である。これらの値は、予め制御装置７に記憶される。

ここで、上記数６、数７及び数８における燃料電池発電係数、燃料電池排熱回収係数、燃料電池発電電力の定常損失及び燃料電池排熱回収量の定常損失について、以下説明する。

前記燃料電池発電係数、燃料電池排熱回収係数、燃料電池発電電力の定常損失及び燃料電池排熱回収量の定常損失は、燃料電池４の性能（エネルギー変換効率）をモデル化することで決定される。

具体的には、図５（ａ）に示すように、燃料電池４のガス（ガス燃料）消費量と燃料電池４の発電電力量との関係を、当該燃料電池４の出力（本実施形態においては、５０（Ｗ）、２００（Ｗ）、５００（Ｗ）及び７００（Ｗ））を変えて複数回計測する。計測方法としては、燃料電池４の出力を一点（５０（Ｗ）や２００（Ｗ）等）にして、ある時間（例えば、１時間や１日等）の発電電力量とガス消費量を計測し、当該発電電力量とガス消費量を所望の時間間隔に変換する。例えば、１時間計測して、５分間の時間間隔（電力負荷パターン及び熱負荷パターンのデータ間隔に合わせた間隔）に変換する場合には、計測された発電電力量及びガス消費量をそれぞれ１２で割ることで求めることができる。本実施形態においては５分間の時間間隔に変換するものとする。そして、各出力における燃料電池４のガス消費量と燃料電池４の発電電力量との関係を１つの直線（図５（ａ）の破線参照）で近似する。この直線を表す近似式中のｂａが燃料電池発電係数、ｅ１が燃料電池発電電力の定常損失である。

また、図５（ｂ）に示すように、燃料電池４のガス（ガス燃料）消費量と燃料電池４の排熱の回収量（貯湯タンクに蓄熱される熱量）との関係を、当該燃料電池４の出力を変えて複数回計測する。ここで、本実施形態においては、上記（燃料電池４のガス消費量と燃料電池４の発電電力量との関係）と同様に５分間の時間間隔に変換するものとする。そして、各出力における燃料電池４のガス消費量と燃料電池４の排熱の回収量との関係を１つの直線（図５（ｂ）の破線参照）で近似する。この直線を表す近似式中のｂｂが燃料電池排熱回収係数、ｅ２が燃料電池排熱回収量の定常損失である。

このような前記燃料電池発電係数、燃料電池排熱回収係数、燃料電池発電電力の定常損失及び燃料電池排熱回収量の定常損失は、予め算出されて制御装置７に記憶される。

このように、燃料電池４の性能（エネルギー変換効率）を、ガス消費量と発電電力量の関係、また、ガス消費量と排熱回収量の関係、として表すことで、直線近似することができ、計算が容易になる。また、この際算出された各直線の切片（燃料電池発電電力の定常損失ｅ１及び燃料電池排熱回収量の定常損失ｅ２）は、燃料電池４を運転するために当該燃料電池４自身で消費されるエネルギーを意味する。

次に、エネルギー管理システム１の制約条件について説明する。

上述の如くモデル化されたエネルギー管理システム１には、下記の数９から数１３までの制約条件が設定される。

ここで、上記数９における「燃料電池の貯湯タンクの蓄熱量上限」は、「（給湯温度（熱負荷６へと供給される湯の温度）−水道水温度（燃料電池４によって温められる前の水の温度））×貯湯タンク容量×比熱」で算出される。

ここで、上記数１０における「バイナリ変数」とは、０又は１のいずれか一方の値しかとらない変数である。当該バイナリ変数は、燃料電池４が運転されている（すなわち、発電している）場合に１の値を、運転されていない場合に０の値をとる。
また、上記数１０における「最低出力」及び「最大出力」とは、燃料電池４が運転している場合における、当該燃料電池４の最低出力及び最大出力をそれぞれ意味している。

上記数１０は、燃料電池４の発電電力の制限を意味している。

ここで、上記数１１における「バイナリ変数」とは、０又は１のいずれか一方の値しかとらない変数である。当該バイナリ変数は、蓄電装置３が放電している場合に１、それ以外の場合に０の値をとる。

上記数１１は、蓄電装置３が充電と放電を同時に行わない制限、並びに当該蓄電装置３の最大充電電力量及び最大放電電力量の制限を意味している。

ここで、上記数１２における「バイナリ変数」とは、０又は１のいずれか一方の値しかとらない変数である。

上記数１２は、商用電源１１からの買電と、太陽光発電部２から商用電源１１への電力の売電と、を同時に行わない制限を意味している。

なお、上記数９から数１３までの制約条件のうち、特に言及していない値は、各機器（蓄電装置３等）の性能から定まる値である。これらの値は、予め制御装置７に記憶される。

次に、所定の目的に応じた電力供給装置の運転パターンを算出するための評価関数について説明する。

本実施形態に係るエネルギー管理システム１の評価関数は、下記の数１４のように表すことができる。

ここで、上記数１４におけるｌ１、ｌ２、ｌ３、ｌ４、ｌ５及びｌ１１の値としては、エネルギー管理システム１の運転の目的（所定の目的）に応じた値が入力される。本実施形態においては、エネルギー管理システム１は、「光熱費を最小にする」ことを目的とするものとする。この場合において、上記数１４には、以下の数１５で示す値が入力される。

ここで、上記数１５における系統電力（電気）料金単価及びガス料金単価は、図６（ａ）に示す電気料金テーブル（本実施形態においては、従量電灯）及び図６（ｂ）に示すガス料金テーブルから予め決定される。具体的には、過去のデータ等からエネルギー管理システム１で消費されると推定される電力量（電気使用量）及びガス消費量のおおよその値から、各料金単価を決定し、予め制御装置７に記憶させる。

なお、各料金単価の決定方法としては、上記の他に、現在の月（今月）の累積使用量を元に現在の料金単価を決める方法や、使用量に応じて単価が変わることをモデルに反映する方法等もある。

以上のような条件の下で、制御装置７は、評価関数（上記数１４参照）が最小となるような入力量（上記数３参照）を算出する。当該算出された入力量（運転パターン）となるように各電力供給装置を運転させることで、所定の目的、すなわち本実施形態における「光熱費を最小にする」という目的を達成することができる。

次に、上述の評価関数を用いて算出された電力供給装置の運転パターンの例について具体的に説明する。
なお、本実施形態においては、説明の便宜上、太陽光発電部２による発電が無い場合を想定している。

図７及び図８には、上述の評価関数を用いて算出された電力供給装置の運転パターンの例を示している。燃料電池４は電力負荷５に追従して発電を行うため、制御装置７は蓄電装置３の充電量及び放電量だけを制御することで、算出された運転パターンに従った各電力供給装置の制御が可能である。すなわち、燃料電池４に学習機能等を搭載する必要がない。

図７に示すように、燃料電池４の出力に余裕がある場合には、当該燃料電池４からの電力を蓄電装置３に充電させる。また、電力負荷５から要求される電力が燃料電池４の最大出力を超える場合には、蓄電装置３に放電させ、当該蓄電装置３からの電力を電力負荷５へと供給する。このような運転パターンによって、商用電源１１からの電力の購入（買電）が０に抑えられている。

また、図８に示すように、燃料電池４の発電に伴って、貯湯タンクの蓄熱量が増加する。ある時間（１６時ごろ）に、貯湯タンクの蓄熱量が上限に達するものの、その後も燃料電池４は発電を続ける（図７の１６時以降を参照）。このように、貯湯タンクの蓄熱量が上限に達した状態で燃料電池４が発電を続けると、その間の燃料電池４の排熱は捨てられて無駄になる。しかし、本実施形態においては、燃料電池４の発電を続けた方が光熱費を最小にすることができるものと判断されている。

次に、上述の電力供給装置の運転パターンの算出方法の、具体的な利用方法について説明する。

上述の電力供給装置の運転パターンの算出方法は、実際に電力供給装置の制御方法を検討して設計する際に利用することができる。すなわち、前記算出方法を用いて予め制御方法を設計し、当該設計された制御方法に基づいて、住宅等に設けられたエネルギー管理システム１の各機器が制御されることになる。図９には、当該設計までの流れを示している。

まず、電力負荷パターン及び熱負荷パターン（図３及び図４参照）を制御装置７に読み込ませる（ステップＳ１０１）。次に、ガス会社及び電力会社、並びに契約メニューを選択する（ステップＳ１０２、ステップＳ１０３）。次に、契約メニューに基づいて、電気料金単価及びガス料金単価（図６参照）を制御装置７に読み込ませる（ステップＳ１０４）。

次に、制御装置７によって、与えられた条件（ステップＳ１０１及びステップＳ１０４参照）に基づいて、所定の目的（本実施形態においては、光熱費を最小にすること）に応じた最適な運転パターンが計算される（ステップＳ１０５）。

運転パターンが算出された後、別の契約メニューでの計算（ステップＳ１０６）や別のガス会社及び電力会社での計算（ステップＳ１０７）が必要な場合は、ステップＳＳ１０２又はステップＳ１０３に戻り、再度条件を設定し直して運転パターンが計算される。

必要な条件での運転パターンの計算が終了すると、当該計算結果が出力され（ステップＳ１０８）、当該出力された計算結果に基づいて、エネルギー管理システム１の実際の運転方法が検討される（Ｓ１０９）。このようにして、上述の電力供給装置の運転パターンの算出方法を利用して、電力供給装置の制御方法を検討し、最適な運転パターンを設計することができる。

このように運転パターンを設計することで、当該設計された運転パターンと、その時の電力会社及びガス会社の契約メニューを併せて、エネルギー管理システム１を販売する際にお客様に提案することができる。また、エネルギー管理システム１の販売後に、お客様の生活データ（電力負荷パターン及び熱負荷パターン）から、最適な運転パターン並びに電力会社及びガス会社の契約メニューを再度提案することができる。

次に、上述の評価関数を用いて算出された電力供給装置の運転パターンに、さらに修正を加える場合について説明する。

例えば、図１０に示すように、燃料電池４は、その出力（発電電力）が大きいほど損失が少なくなる。また、燃料電池４は電力負荷５の急激な変化に応じてその出力を変化させることが難しい場合があるため、出力の変動は小さいほうが良い。

そこで、算出された運転パターン（図７及び図８参照）を、図１１及び図１２に示すように修正して設計する。なお、図１１には、便宜上、電力負荷パターン及び燃料電池４の出力電力のみを示している。具体的には、深夜帯（２３時から０時まで）を除いて、燃料電池４の出力に下限（最低出力）を設ける。このように燃料電池４の出力を下限値以上に維持することで、燃料電池４の損失を低減させることができる。この際、電力負荷５での電力の消費量が少ない時間帯に余った電力は、蓄電装置３に充電される。

さらに、熱負荷６での熱エネルギーの消費量が多い時間帯（２０時から２２時まで）（図１２参照）においては、燃料電池４は電力負荷５に追従することなく、定格出力（最大出力）で運転されるように修正されている。これによって、熱エネルギーの消費量が多い時間帯に、継続して排熱を貯湯タンクに蓄え続けることができる。さらに、熱エネルギーの消費量が少なくなる時間帯（２３時から０時まで）では、再び燃料電池４は電力負荷５に追従するように運転される。

このように、算出された運転パターンを、さらに任意に修正することで、より目的に沿ったエネルギー管理システム１の各機器（電力供給装置）の制御が可能となる。

以上の如く、本実施形態に係るエネルギー管理システム１は、
燃料を消費して発電することが可能であると共に、発電する際に発生する排熱を貯湯タンクに蓄熱することが可能な燃料電池４を含む、少なくとも１つの電力供給装置と、
商用電源１１及び前記電力供給装置からの電気エネルギーを消費する電力負荷５と、
燃料電池４からの熱エネルギーを消費する熱負荷６と、
所定期間（１日）において電力負荷５で消費される電気エネルギーのパターン（図３）及び前記所定期間において熱負荷６で消費される熱エネルギーのパターン（図４）に基づいて、所定の目的に応じた前記電力供給装置の運転パターン（前記数３）を算出する制御装置７と、
を具備するエネルギー管理システム１であって、
制御装置７は、
前記電力供給装置の運転パターンを算出する際に、燃料電池４のエネルギー変換効率を考慮するものである。
このように構成することにより、燃料電池４のエネルギー変換効率を考慮した上で、所定の目的に応じて電力供給装置の運転パターンを算出することができる。これによって、より効率的なエネルギー管理システム１の運転が可能となる。

また、制御装置７は、
燃料電池４のエネルギー変換効率として、
燃料電池４が消費する燃料の量と燃料電池４が発電する電力量との関係（図５（ａ））を用いるものである。
このように構成することにより、燃料電池４のエネルギー変換効率を簡単に表すことができ、当該エネルギー変換効率を容易に考慮することができる。

また、制御装置７は、
燃料電池４のエネルギー変換効率として、
燃料電池４が消費する燃料の量と燃料電池４が蓄熱する熱量との関係（図５（ｂ））を用いるものである。
このように構成することにより、燃料電池４のエネルギー変換効率を簡単に表すことができ、当該エネルギー変換効率を容易に考慮することができる。

また、前記電力供給装置は、
太陽光を利用して発電可能な太陽光発電部２及び／又は電力を充放電可能な蓄電装置３を含むものである。
このように構成することにより、太陽光発電部２及び／又は蓄電装置３を含めた電力供給装置の運転パターンを算出することができる。

また、エネルギー管理システム１は、
燃料を消費して発熱することが可能な補助熱源をさらに具備し、
制御装置７は、
前記電力供給装置の運転パターンを算出する際に、上記数１から数８までに表される状態空間モデルを用い、
制御装置７は、燃料電池４が消費する燃料の量と燃料電池４が発電する電力量との関係から前記燃料電池発電係数及び前記燃料電池発電電力の定常損失を算出すると共に、燃料電池４が消費する燃料の量と燃料電池４が蓄熱する熱量との関係から前記燃料電池排熱回収係数及び前記燃料電池排熱回収量の定常損失を算出するものである。
このように構成することにより、混合整数計画問題とよばれる数理計画手法を用いることができ、所定の目的における最も効果的な運転パターンを容易に算出することができる。

また、本実施形態に係るエネルギー管理方法は、
燃料を消費して発電することが可能であると共に、発電する際に発生する排熱を貯湯タンクに蓄熱することが可能な燃料電池４を含む、少なくとも１つの電力供給装置の運転パターンを算出するエネルギー管理方法であって、
商用電源１１及び前記電力供給装置からの電気エネルギーを消費する電力負荷５において所定期間（１日）に消費される電気エネルギーのパターン（図３）、及び燃料電池４からの熱エネルギーを消費する熱負荷６において前記所定期間に消費される熱エネルギーのパターン（図４）、並びに燃料電池４のエネルギー変換効率に基づいて、所定の目的に応じた前記電力供給装置の運転パターンを算出するものである。
このように構成することによって、燃料電池４のエネルギー変換効率を考慮した上で、所定の目的に応じて電力供給装置の運転パターンを算出することができる。

以下では、上述の第一実施形態に係るエネルギー管理システム１の変形例（他の実施形態）について説明する。

第一実施形態においては、図２に示すように、住宅等に設けられる制御装置７（ＨＥＭＳ）において運転パターンが算出される構成とした。しかし、図１３に示すように、住宅等の外部に設けられるセンターサーバ８において運転パターンが算出される構成とすることも可能である。この場合、センターサーバ８に電力等の料金単価等の情報が入力され、当該センターサーバ８によって電力供給装置の運転パターンが算出される。算出された運転パターンは制御装置７に送信され、当該制御装置７によって蓄電装置３等の制御が行われる。

このように、センターサーバ８で運転パターンを算出することによって、複数の住宅等の運転パターンを一括して算出することができる。これによって、各住宅等での計算が不要となるため、当該計算のためのコスト（時間的なコストや機器のコスト）を削減することができる。

また、第一実施形態においては、上記数６、数７及び数８における燃料電池発電係数、燃料電池排熱回収係数、燃料電池発電電力の定常損失及び燃料電池排熱回収量の定常損失を決定する際に、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、１つの直線で近似された近似式を用いるものとした。しかし、５０（Ｗ）、２００（Ｗ）、５００（Ｗ）及び７００（Ｗ）の点を順に直線で結び、各直線を表す式を求め、燃料電池４の出力に応じて各直線の式を使い分ける構成とすることも可能である。

例えば、燃料電池４の出力が４００（Ｗ）である時には、２００（Ｗ）の点と５００（Ｗ）の点とを結ぶ直線の式を用いる。また、燃料電池４の出力が６００（Ｗ）である時には、５００（Ｗ）の点と７００（Ｗ）の点とを結ぶ直線の式を用いる。このように構成することで、計算は複雑になるものの、より精度の高い計算が可能となる。

また、第一実施形態においては、「光熱費を最小にする」ことをエネルギー管理システム１の運転の目的（所定の目的）としたが、その他の目的を設定することも可能である。

例えば、「一次エネルギー消費量を最小にする」ことを目的とする場合、上記数１４には、以下の数１６で示す値が入力される。

ここで、ｌ１１の値は、太陽光発電部２で発電された電力のうち、売電される電力を考慮するためのものであるが、改正省エネ法では、売電された電力を一次エネルギー消費量の削減に加味しないものとされているため、０の値をとっている。

また、例えば、「ＣＯ２排出量を最小にする」ことを目的とする場合、上記数１４には、以下の数１７で示す値が入力される。

ここで、ｌ１１の値は、上記数１６の場合と同様に０の値をとっている。

このように、上記数１４に入力する値を適宜変更することで、任意の目的に応じた運転パターンを容易に算出することができる。

また、第一実施形態と同様に、「光熱費を最小にする」ことをエネルギー管理システム１の運転の目的とする場合であっても、電気料金テーブルが、電気使用量に応じて料金単価が変わる従量電灯（図６（ａ）参照）ではなく、時間帯によって料金単価が変わる時間帯電灯である場合、評価関数として、下記の数１８を用いる。

上記数１８には、以下の数１９で示す値が入力される。

このような評価関数を用いることで、電力会社との電灯契約が時間帯電灯である場合にも対応することができる。

また、第一実施形態においては、電力供給装置の運転パターンの算出方法を用いて予め電力供給装置の制御方法を設計し（図９参照）、当該設計された制御方法に基づいてエネルギー管理システム１が制御される例を示した。しかし、算出された運転パターンを用いて直接エネルギー管理システム１を制御する（リアルタイムに制御する）ことも可能である。

この場合、図１４に示すように、まず、電力負荷パターン及び熱負荷パターン（図３及び図４参照）、並びに電気料金単価及びガス料金単価（図６参照）を制御装置７に読み込ませる（ステップＳ２０１及びステップＳ２０２）。次に、制御装置７によって、与えられた条件に基づいて、所定の目的に応じた最適な運転パターンが計算される（ステップＳ２０３）。最後に、制御装置７から、算出された運転パターンに基づく動作の指令が蓄電装置３及び燃料電池４へと送信され（ステップＳ２０４）、当該蓄電装置３等の運転が制御される。

なお、本実施形態においては、電力供給装置として太陽光発電部２、蓄電装置３及び燃料電池４を例示したが、本発明はこれに限るものではない。すなわち、電力供給装置としてその他の機器（例えば、風力発電装置等）を用いる構成とすることも可能である。

また、蓄電装置３はリチウムイオン電池等により構成されるものとしたが、本発明はこれに限るものではなく、ニッケル・水素電池等により構成することも可能である。

また、上記実施形態においては、燃料電池４に学習機能を搭載する必要は無いと記したが、本発明はこれに限るものではない。例えば、燃料電池４に学習機能を搭載し、当該学習機能を用いて電力負荷パターンや熱負荷パターンを推定する構成とすることも可能である。

また、上記実施形態においては、制御装置７に記憶される電力負荷パターン及び熱負荷パターンの期間は１日（０時から２４時まで）であるものとしたが、本発明はこれに限るものではない。例えば、１週間や１ヶ月の期間の電力負荷パターン及び熱負荷パターンを用いることも可能である。

また、図１４に示すように運転パターンをリアルタイムに算出して制御に用いる場合には、予め記憶された電力負荷パターン及び熱負荷パターンの推定値を、実際に計測された電力負荷パターン及び熱負荷パターンに基づいて修正し、その都度運転パターンを算出しなおす構成とすることも可能である。

また、上記実施形態においては、電力負荷パターン及び熱負荷パターンのデータ間隔は５分間であるものとしたが、本発明はこれに限るものではない。例えば、当該データ間隔を１時間等に設定することも可能である。データ間隔を大きくすることによって、計算回数を減らすことができる。但し、当該データ間隔を変更する場合、エネルギー管理システム１のモデルの係数を変更する必要がある。

具体的には、データ間隔を１時間（６０分）とする場合、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示した近似式が、それぞれ下記の数２０及び数２１のように変更される。

このように、電力負荷パターン及び熱負荷パターンのデータ間隔が５分間である場合の係数（ｅ１及びｅ２）を、１時間（６０分間）間隔の場合の係数（ｅ１’及びｅ２’）に変換する。

また、上記数１０が下記の数２２のように変更される。

また、上記実施形態においては、上記数９から数１３までの制約条件が設定されるものとしたが、さらに下記の数２３の制約条件（燃料電池４を連続的に稼動させ、必要に応じて稼動時間を制限するための制約条件）を設定することも可能である。

ここで、上記数２３における「バイナリ変数」とは、０又は１のいずれか一方の値しかとらない変数である。

また、上記数２３において、例えば運転パターンを算出する期間が１日であり、１日に１回しか燃料電池４が起動できない場合、λ＝１とする。

また、上記数２３において、γは「燃料電池４の最大稼動時間」÷「データ間隔（時間間隔）」で算出される。例えば、燃料電池４が１日に１２時間しか稼動できず、データ間隔が５分間の場合、γ＝１２÷（１／１２）＝１４４とする。

上記数２３のような制約条件を設定することで、燃料電池４の動作をより現実の動作に近づけることができる。すなわち、燃料電池４は一旦発電を開始（起動）した場合、簡単には止める（停止させる）ことができない。また、起動と停止を短時間で繰り返すことは当該燃料電池４の寿命を縮める要因となる。そこで、上記数２３の制約条件を設定することで、燃料電池４を連続的に稼動させると共に、必要に応じて（上記例では、例えば１日における）稼動時間を制限することができる。

１ エネルギー管理システム
２ 太陽光発電部（電力供給装置）
３ 蓄電装置（電力供給装置）
４ 燃料電池（電力供給装置）
５ 電力負荷
６ 熱負荷
７ 制御装置

Claims (6)

1. 燃料を消費して発電することが可能であると共に、発電する際に発生する排熱を貯湯タンクに蓄熱することが可能な燃料電池を含む、少なくとも１つの電力供給装置と、
   商用電源及び前記電力供給装置からの電気エネルギーを消費する電力負荷と、
   前記燃料電池からの熱エネルギーを消費する熱負荷と、
   所定期間において前記電力負荷で消費される電気エネルギーのパターン及び前記所定期間において前記熱負荷で消費される熱エネルギーのパターンに基づいて、所定の目的に応じた前記電力供給装置の運転パターンを算出する制御装置と、
   を具備するエネルギー管理システムであって、
   前記制御装置は、
   前記電力供給装置の運転パターンを算出する際に、前記燃料電池のエネルギー変換効率を考慮することを特徴とする、
   エネルギー管理システム。
2. 前記制御装置は、
   前記燃料電池のエネルギー変換効率として、
   前記燃料電池が消費する燃料の量と前記燃料電池が発電する電力量との関係を用いることを特徴とする、
   請求項１に記載のエネルギー管理システム。
3. 前記制御装置は、
   前記燃料電池のエネルギー変換効率として、
   前記燃料電池が消費する燃料の量と前記燃料電池が蓄熱する熱量との関係を用いることを特徴とする、
   請求項１又は請求項２に記載のエネルギー管理システム。
4. 前記電力供給装置は、
   太陽光を利用して発電可能な太陽光発電部及び／又は電力を充放電可能な蓄電装置を含むことを特徴とする、
   請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載のエネルギー管理システム。
5. 燃料を消費して発熱することが可能な補助熱源をさらに具備し、
   前記制御装置は、
   前記電力供給装置の運転パターンを算出する際に、以下の数１から数８までに表される状態空間モデルを用い、
   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   前記制御装置は、前記燃料電池が消費する燃料の量と前記燃料電池が発電する電力量との関係から前記燃料電池発電係数及び前記燃料電池発電電力の定常損失を算出すると共に、前記燃料電池が消費する燃料の量と前記燃料電池が蓄熱する熱量との関係から前記燃料電池排熱回収係数及び前記燃料電池排熱回収量の定常損失を算出することを特徴とする、
   請求項４に記載のエネルギー管理システム。
6. 燃料を消費して発電することが可能であると共に、発電する際に発生する排熱を貯湯タンクに蓄熱することが可能な燃料電池を含む、少なくとも１つの電力供給装置の運転パターンを算出するエネルギー管理方法であって、
   商用電源及び前記電力供給装置からの電気エネルギーを消費する電力負荷において所定期間に消費される電気エネルギーのパターン、及び前記燃料電池からの熱エネルギーを消費する熱負荷において前記所定期間に消費される熱エネルギーのパターン、並びに前記燃料電池のエネルギー変換効率に基づいて、所定の目的に応じた前記電力供給装置の運転パターンを算出することを特徴とする、
   エネルギー管理方法。
   

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