JP2004297905A - Cogeneration system and operation method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力と熱とを出力してその出力を調整可能な熱電併給装置と、前記熱電併給装置の運転を制御する運転制御手段とが設けられ、
運転制御手段が、要求されている電力負荷を実質的に賄えるように、前記電力負荷に応じて前記熱電併給装置の出力を、最小出力から最大出力の範囲内で調整する電力負荷追従運転を行うコージェネレーションシステムに関する。
【0002】
【従来の技術】
上記のようなコージェネレーションシステムは、例えば、熱電併給装置として燃料電池を備え、この熱電併給装置から出力される電力を消費可能とするとともに、出力される熱を、例えば、湯水として貯湯タンクに溜めるように構成されている。
【0003】
上記のようなコージェネレーションシステムにおいては、従来、運転制御手段が、電力負荷を賄いながら、熱需要がある場合には熱消費に出力を回し、熱需要がない場合には熱回収を実行したり、放熱したりしている(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
この様な電力負荷追従運転を実行する場合、予め設定されている最小出力から最大出力の範囲内で、要求されている電力負荷を賄えるように熱電併給装置の出力が調整される。
従来、この最小出力から最大出力は装置固有のものとされ、その値が変化されることはなかった。
【0005】
【特許文献1】
特開2001−258293号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
従来のコージェネレーションシステムでは、運転制御手段が電力負荷追従運転を行うことにより、電力負荷を賄うことができるものの、要求されている熱負荷には対応しておらず、現熱負荷に対して熱が余る熱余り状態や熱負荷を賄えない熱不足状態が発生する場合が多々ある。
【0007】
すなわち、例えば、夏季などのように、電力負荷が大きくて熱負荷が小さい場合に、運転制御手段が電力負荷追従運転を行うと、現熱負荷に対して熱が余り、熱余り状態が発生する。
逆に、冬季などのように、熱負荷が大きい場合に、運転制御手段が電力負荷追従運転を行うと、熱負荷を賄うことができず、熱不足状態が発生する。
【0008】
そして、熱余り状態が発生すると、余った熱が例えば貯湯タンク等に溜められるが、その貯湯タンクに溜められた熱は、使用されずにただ放熱するだけとなって、システムの効率が低下する。
また、熱不足状態が発生すると、熱負荷を賄うために補助加熱機構であるバーナ等を働かせることになるので、システムの効率が低下する。
【0009】
本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、更なる省エネルギー化を実現することができるコージェネレーションシステムを提供する点にある。また、この様な運転を実行できる運転方法を得ることである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、請求項1に記載の発明によれば、
電力と熱とを出力してその出力を調整可能な熱電併給装置と、前記熱電併給装置の運転を制御する運転制御手段とが設けられ、
前記運転制御手段が、電力負荷に応じて前記熱電併給装置の出力を、最小出力から最大出力の範囲内で調整する電力負荷追従運転を行うコージェネレーションシステムにおいて、
前記運転制御手段が、時系列的な電力負荷および熱負荷を管理するように構成され、前記電力負荷追従運転を行うことにより発生する、前記熱負荷に対する熱出力の過不足量に応じて、前記最小出力もしくは前記最大出力あるいはそれらの両方を設定して運転を行う。
【0011】
すなわち、運転制御手段は、時系列的な電力負荷、および、時系列的な熱負荷を管理しているので、時系列的な電力負荷に対して電力負荷追従運転を行うことにより、時系列的な熱出力と熱負荷との過不足量を捕らえることができる。
【0012】
そして、運転制御手段は、電力負荷追従運転を行うことにより発生する熱負荷の過不足量に応じて、前記最大出力、最小出力あるいはそれらの両方を設定して運転を行う。
【0013】
この結果、出力の変動範囲は、最大出力と最低出力との範囲内となることで、結果的に、熱負荷に応じて電力出力を制限することとなり、電力と熱とを考慮した総合効率的にみて、熱出力の無駄を低減し、システム効率の向上を図ることができる。
このような効果を得ようとすれば、例えば現熱負荷や将来の熱負荷予測に基づいて、熱電併給装置の出力自体を制御することも考えられるが、例えば、装置が燃料電池の場合、出力変更を短期に応答性良く行うには困難を伴うこともある。従って、オンタイム的に出力の熱負荷に応じた変更を行わず、最大出力、最小出力といった上下限設定の更新設定を実行することで、所定範囲を超える熱余り、熱不足状況を解消でき、良好に対応できる。
【0014】
以上のことから、請求項1に記載の発明によれば、更なる省エネルギー化を実現することができるコージェネレーションシステムを提供できる。
【0015】
この場合、電力と熱とを出力してその出力を調整可能な熱電併給装置と、前記熱電併給装置の運転を制御する運転制御手段とが設けられ、
前記運転制御手段が、電力負荷に応じて前記熱電併給装置の出力を、最小出力から最大出力の範囲内で調整する電力負荷追従運転を行うコージェネレーションシステムは、請求項7に記載されていうように、
前記運転制御手段が、時系列的な電力負荷および熱負荷を管理するように構成され、前記電力負荷追従運転を行うことにより発生する、前記熱負荷に対する熱出力の過不足量に応じて、前記最小出力もしくは前記最大出力あるいはそれらの両方を設定して、設定された前記最大出力と最小出力との範囲内で運転を行うこととなる。
【0016】
さて、請求項2に記載の発明によれば、前記電力負荷追従運転を行うことにより発生する熱が、前記熱負荷より大きく、熱が余る熱余り状態において、余剰熱を回収もしくは放熱する余剰熱処理機器を備え、
前記運転制御手段が、前記余剰熱処理機器の処理熱量あるいは前記処理熱量に対応する処理時間に応じて、前記最小出力もしくは前記最大出力あるいはそれらの両方を設定する。
【0017】
余剰熱処理機器の動作状態は、システムに備えられる熱電併給装置の運転が、熱余り状態で運転されている状態を代表するため、この機器による処理熱量あるいは処理時間に応じて、最大出力あるいは最小出力の両方を設定することで、熱余り状態の発生をできるだけ回避することができる。
この場合、処理熱量・時間が大きい程、最大出力は低く設定する。
この種の余剰熱には、放熱して捨てられる熱を主とするが、回収される熱の内、熱負荷との関係から利用できない回収熱も含まれる。
【0018】
請求項3に記載の発明によれば、前記電力負荷追従運転を行うことにより発生する熱が前記熱負荷より小さく、熱が不足する熱不足状態において、不足熱を補足する不足熱補足機器を備え、
前記運転制御手段が、前記不足熱補足機器の補足熱量あるいは前記補足熱量に対応する補足時間に応じて、前記最小出力もしくは前記最大出力あるいはそれらの両方を設定する。
【0019】
不足熱補足機器の動作状態は、システムに備えられる熱電併給装置の運転が、熱不足状態で運転されている状態を代表するため、この機器による処理熱量あるいは処理時間に応じて、最大出力あるいは最小出力の両方を設定することで、熱不足状態の発生をできるだけ回避することができる。
この場合、処理熱量・時間が大きい程、最小出力は高く設定する。
【0020】
さらに、請求項4に記載の発明によれば、熱出力により水を加熱して湯を得る熱回収機器を備え、前記運転制御手段が、加熱対象となる前記水の温度に応じて、前記最小出力もしくは前記最大出力あるいはそれらの両方を設定するものとする。
【0021】
熱出力は、水を湯に変換することで利用できるが、熱回収機器において利用される熱需要(熱負荷)は、水温に大きく依存する。即ち、夏場の水温が高い状況では、熱余り状態が発生しやすく、冬場の水温が低い状況では、熱不足が発生しやすい。
この状況は、熱電併給装置側では、本願が問題とする熱出力側の制御を必要とする状況となる。従って、水温に従って、最大出力もしくは最小出力あるいはそれらの両方を設定することにより、追従制御の上限と下限を設定して、熱出力の無駄をなくすることができる。
この場合、水温が高い程、最大出力は低く、最小出力も低く設定する。
【0022】
請求項6に記載の発明によれば、前記熱電併給装置が24時間連続運転される24時間運転装置であり、前記過不足量が所定期間毎に管理され、前記所定期間毎に前記最小出力もしくは前記最大出力あるいはそれらの両方が設定される。
本願は、熱負荷に適切に対応しようとするものであるが、例えば各家庭の熱需要をみると、一日単位あるいは時間帯で熱需要量に大きな変動がある。
さらに、例えば、毎日、入浴する家庭と、隔日に入浴する家庭とでは、熱需要パターンは大きく異なる。
一方、燃料電池のような電力需要に対応すべき装置では、24時間連続運転され電力負荷に対応するため、電力負荷と熱負荷との間にアンバランスを発生しやすい。そこで、基本的に電主運転の形態を取る熱電併給装置の運転において、状況に応じて設定される期間に応じた熱負荷への適切な配慮が必要となる。
【0023】
そして、例えば、各家庭の生活パターンに対応した所定期間を個別に設定するとともに、この所定期間内の熱側の過不足量に応じて、最大出力と最小出力を設定して、熱電併給装置の運転を行うようにすると、結果的に、効果的な効率のより運転状況を実現できる。従って、その期間毎に適切な少エネルギー効果を得ることができる。
【0024】
【発明の実施の形態】
本発明にかかるコージェネレーションシステムについて図面に基づいて説明する。
〔システム〕
コージェネレーションシステムは、図1および図2に示すように、熱電併給装置としての燃料電池1と、その燃料電池1にて出力される熱を冷却水にて回収し、その冷却水を利用して、貯湯タンク2への貯湯および熱消費端末3への熱媒供給を行う貯湯ユニット4と、燃料電池1および貯湯ユニット4の運転を制御する運転制御手段としての運転制御部5などから構成されている。
【0025】
〔電力系統〕
前記燃料電池1は、電力と熱とを出力してその出力を調整可能に構成され、その燃料電池1の電力出力側には、系統連係用のインバータ6が設けられ、インバータ6は、燃料電池1の電気出力を商用系統7から供給される電力と同じ電圧および同じ周波数にするように構成されている。
前記商用系統7は、例えば、単相3線式100/200Vであり、商業用電力供給ライン8を介して、テレビ、冷蔵庫、洗濯機などの電力負荷9に電気的に接続されている。
【0026】
また、インバータ6は、コージェネ用供給ライン10を介して商業用電力供給ライン8に電気的に接続され、燃料電池1からの発電電力をインバータ6およびコージェネ用供給ライン10を介して電力負荷9に供給するように構成されている。
【0027】
前記商業用電力供給ライン8には、電力負荷9の負荷電力を計測する電力負荷計測手段11が設けられている。この電力負荷計測手段11は、商業用電力供給ライン8を通して流れる電流に逆潮流が発生するか否かをも検出するように構成されている。
そして、逆潮流が生じないように、インバータ6により燃料電池1から商業用電力供給ライン8に供給される電力が制御され、発電電力の余剰電力は、その余剰電力を熱に代えて回収する電気ヒータ12に供給されるように構成されている。
【0028】
前記電気ヒータ12は、複数の電気ヒータから構成され、冷却水循環ポンプ15の作動により冷却水循環路13を通流する燃料電池1の冷却水を加熱するように設けられ、インバータ6の出力側に接続された作動スイッチ14によりON/OFFが切り換えられるように構成されている。
また、作動スイッチ14は、余剰電力の大きさが大きくなるほど、電気ヒータ12の消費電力が大きくなるように、余剰電力の大きさに応じて電気ヒータ12の消費電力を調整するように構成されている。
【0029】
〔熱系統〕
前記貯湯ユニット4は、温度成層を形成する状態で湯水を貯湯する貯湯タンク2、湯水循環路16を通して貯湯タンク2内の湯水を循環させる湯水循環ポンプ17、熱源用循環路20を通して熱源用湯水を循環させる熱源用循環ポンプ21、熱媒循環路22を通して熱媒を熱消費端末3に循環供給させる熱媒循環ポンプ23、湯水循環路16を通流する湯水を加熱させる貯湯用熱交換器24、熱源用循環路20を通流する熱源用湯水を加熱させる熱源用熱交換器25、熱媒循環路22を通流する熱媒を加熱させる熱媒加熱用熱交換器26、ファン27を作動させた状態でのバーナ28の燃焼により貯湯タンク2内から取り出した湯水および熱源用循環路20を通流する熱源用湯水を加熱させる補助加熱用熱交換器29などを備えて構成されている。
【0030】
前記湯水循環路16は、その一部が並列になるように分岐接続され、その接続箇所に三方弁18が設けられており、分岐された一方側の流路には、ラジエター19が設けられている。
そして、三方弁18を切り換えることにより、貯湯タンク2の下部から取り出した湯水がラジエター19を通過するように循環させる状態と、貯湯タンク2の下部から取り出した湯水がラジエター19をバイパスするように循環させる状態とに切り換えるように構成されている。
【0031】
前記貯湯用熱交換器24においては、燃料電池1から出力される熱を回収した冷却水循環路13の冷却水を通流させることにより、湯水循環路16を通流する湯水を加熱させるように構成されている。
前記熱源用熱交換器25においては、燃料電池1にて出力される熱を回収した冷却水循環路13の冷却水を通流させることにより、熱源用循環路20を通流する熱源用湯水を加熱させるように構成されている。
そして、補助加熱機構Mが、ファン27、バーナ28、補助加熱用熱交換器29により構成されている。
また、熱源用循環路20には、熱源用湯水の通流を断続させる熱源用断続弁40が設けられている。
【0032】
前記冷却水循環路13は、貯湯用熱交換器24側と熱源用熱交換器25側とに分岐され、その分岐箇所に、貯湯用熱交換器24側に通流させる冷却水の流量と熱源用熱交換器25側に通流させる冷却水の流量との割合を調整する分流弁30が設けられている。
【0033】
分流弁30は、冷却水循環路13の冷却水の全量を貯湯用熱交換器24側に通流させたり、冷却水循環路13の冷却水の全量を熱源用熱交換器25側に通流させることもできるように構成されている。
【0034】
前記熱媒加熱用熱交換器26においては、熱源用熱交換器25や補助加熱用熱交換器29にて加熱された熱源用湯水を通流させることにより、熱媒循環路22を通流する熱媒を加熱させるように構成されている。
前記熱消費端末3は、床暖房装置や浴室暖房装置などの暖房端末にて構成されている。
【0035】
また、貯湯タンク2から取り出した湯水を給湯するときの給湯熱負荷を計測する給湯負荷計測手段31が設けられ、熱消費端末3での端末熱負荷を計測する端末熱負荷計測手段32も設けられている。
【0036】
〔運転制御部〕
1 貯湯ユニットに備えられる機器の運転制御
前記運転制御部5は、燃料電池1の運転中には冷却水循環ポンプ15を作動させる状態で、燃料電池1の運転および冷却水循環ポンプ15の作動状態を制御するとともに、湯水循環ポンプ17、熱源用循環ポンプ21、熱媒循環ポンプ23の作動状態を制御することによって、貯湯タンク2内に湯水を貯湯する貯湯運転や、熱消費端末3に熱媒を供給する熱媒供給運転を行うように構成されている。
【0037】
ちなみに、給湯するときには、熱源用断続弁40を閉弁した状態で貯湯タンク2から取り出した湯水を給湯するように構成され、貯湯タンク2から取り出した湯水を補助加熱機構Mにて加熱したり、貯湯タンク2から取り出した湯水に水を混合させて、図外のリモコンにて設定されている給湯設定温度の湯水を給湯するように構成されている。
【0038】
2 電力負荷・熱負荷の管理
運転制御部5は、時系列的な電力負荷、および、時系列的な熱負荷を管理するように構成されている。
【0039】
前記運転制御部5は、例えば、設定周期を1日とし、設定時間帯を1時間とし、熱負荷を給湯熱負荷と端末熱負荷として、設定時間帯当たりの実電力負荷、実給湯熱負荷、および、実端末熱負荷の夫々を、電力負荷計測手段11およびインバータ6の出力値、給湯熱負荷計測手段31、および、端末熱負荷計測手段32にて計測する。
そして、運転制御部5は、電力負荷計測手段11およびインバータ6の出力値、給湯熱負荷計測手段31、および、端末熱負荷計測手段32にて計測された値を記憶することにより、時系列的な電力負荷および時系列的な熱負荷を設定周期内において設定時間帯ごとに管理するように構成されている。
【0040】
また、運転制御部5は、実際の使用状況に応じて時系列的な電力負荷および時系列的な熱負荷を更新する場合には、電力負荷計測手段11およびインバータ6の出力値、給湯熱負荷計測手段31、および、端末熱負荷計測手段32にて計測された値と、既に記憶されている値とを所定の割合で足し合わせ、その足し合わせた値を記憶するように構成されている。
【0041】
3 燃料電池の基本的な運転制御
以下、運転制御部5による燃料電池1の運転の制御について説明を加える。
運転制御部5は、現在要求されている現電力負荷を賄えるように、燃料電池1の出力を調整する電力負荷追従運転を行い、その電力負荷追従運転において、最小出力から最大出力の範囲内で現電力負荷に応じて燃料電池1の出力を調整する。
【0042】
実際の運転状態に関して説明を加えると、運転制御部5は、電力負荷計測手段11の計測値およびインバータ6の出力値に基づいて、現電力負荷を求めて、その現電力負荷よりもα(例えば、100W)だけ小さい出力になるように、燃料電池1の出力を調整するように構成されている。
【0043】
例えば、図3(イ)のTnで示す時間帯のように、現電力負荷(実線で示す)が時間経過に伴って推移すると、現電力負荷よりもα(例えば、100W)だけ小さい出力(一転鎖線で示す)にて、現電力負荷の推移に応じて燃料電池1の出力を調整するようにしている。ちなみに、運転制御部5は、現電力負荷の設定時間(例えば、5分)の平均値に基づいて、燃料電池1の出力を変更するように構成されている。
【0044】
この運転状態は、Tnで示すようなノーマルな時間帯、出力が最大出力Pmaxと最小出力Pminとの間に収まっている場合であり、現電力負荷に対して、これを賄うように求められる出力が、最大出力Pmaxを上回っていたり、最小出力Pminを下回る場合は、これらの規制をうける。図3(イ)のTaで示す時間帯にあっては、電力負荷が最大出力を上回っており、出力に最大側の規制が掛かっている。この場合の電力の不足分は、商用系統によることとなる。
【0045】
さて、本願にあっては、熱余り、熱不足状況に従って、最大出力Pmaxと最小出力Pminとが変更されるが、図3(ロ)に、この種の出力規制が一日毎に掛かる場合の設定例を示した。この例は、各家庭において入浴がされる日(図中「入浴日」と記載)とされない日(図中「非入浴日」と記載)との設定変更の例を示したものである。
【0046】
〔熱余り・熱不足状態の管理〕
上述のようにして管理される電力負荷、熱負荷に対して、熱余り状態が発生する場合は、余剰熱処理機器であるラジエータ19等を働かせ、熱不足状態が発生する場合は、前記不足熱補足機器である補助加熱機器Mを働かせる。
【0047】
ここで、熱余り状態とは、例えば、貯湯タンク2内に貯湯されている湯水が満杯であり、更なる燃料電池1の運転により余剰熱が発生し、ラジエター19を作動させて放熱を要する状態や、熱媒供給運転中に燃料電池1から出力される熱が熱消費端末3で要求されている端末熱負荷よりも大きく、さらに、貯湯タンク2内に貯湯されている湯水が満杯であり、ラジエター19を作動させ、余剰熱を放熱する状態である。
【0048】
一方、熱不足状態とは、例えば、貯湯タンク2内に湯水が貯湯されておらず、不足熱補足機器である補助加熱機構Mを作動させる状態である。
【0049】
このような、余剰熱処理機器、不足熱補足機器の運転状態は、運転制御部側で、例えば、最大出力、最小出力を設定する周期である設定周期が1日で、熱余り、熱不足を検出するための積算単位時間としてしての設定時間帯が1時間であるとして、1日(24時間)単位で、管理されている。
即ち、余剰熱の放熱量、あるいは放熱している時間を日単位で積算し、一日あたりの放熱処理量Qrあるいは放熱処理時間Trとして換算管理されている。同様に不足熱の補足処理量、あるいは補足処理している時間も管理される。
【0050】
これら管理の形態としては、通常一日単位で求め、たとえば前日、前週の同一曜日、前週一週間の一日平均、等を基本として管理してもよい。また、風呂湯はりが隔日とされているような家庭の場合は、複数日を単位として一日平均を求め、その複数日単位における一日当たりの値として管理してもよい。
【0051】
〔最大出力・最小出力の設定〕
前記熱余り状態あるいは熱不足状態を解消すべく、本願にあっては、運転制御部5が、追従制御の出力制限値となる燃料電池の最大出力、最小出力を設定するように構成されている。
即ち、上記管理されている、熱側の過不足状態から、最大出力Pmaxあるいは最小出力Pminを設定するように構成されている。
【0052】
さらに具体的には、先に説明した処理熱量Qrあるいは処理時間Trと燃料電池の出力との関係指標を備えている。
図4に、この指標の例を示した。同図は、横軸が1日当たりの処理熱量Qr(もしくは処理時間Tr)を、縦軸が出力Pを示している。
【0053】
ここで、処理熱量(もしくは処理時間)がプラス側に位置する状態にあっては、実際にシステムが熱を放熱している熱余り状態に対応しており、マイナス側に位置する状態にあっては、システムが熱の補足を受けている熱不足状態に対応している。
【0054】
従来は、実質的に、放熱・受熱が無いQr(Tr)=0の状態で、通常運転されてきた。
本願の制御が働く状態にあっては、燃料電池1の出力は最大出力Pmaxと最小出力Pminとの間の斜線で示した範囲内で選択される。
【0055】
具体的な例として、定格での電気出力1kWおよび熱出力1kW、最小出力時は、電気出力0.25kW、熱出力0.25kWの燃料電池システムを例にとって説明する。
【0056】
図4に示すように、縦軸より右側の熱余り状態では、最大出力Pmaxは1kWから0.3kWまで変更され、熱余り側の処理熱量(処理時間)の最小値Qr=0kWh(Tr=0h)に対してPmax=1kW、最大値Qr=24kWh(Tr=24h)に対してPmax=0.3kWとされている。
一方、縦軸より左側の熱不足状態においては、最小出力Pminは0.95kWから0.25kWまで変更され、熱不足側の処理熱量(処理時間)のマイナス側の最小値Qr=0kWh(Tr=0h)に対してPmin=0.25kW、マイナス側の最大値Qr=24kWh(Tr=24h)に対してPmin=0.95kWとされている。
【0057】
従って、動作制御手段側で管理されている、日毎の処理熱量(時間)Qr(Tr)が特定の日に対して固定されると、この指標に従って、図4に示す最大出力Pmax、最小出力Pminが決定される。図4において、処理熱量が10kWhの場合を矢印によって示した。
【0058】
先に説明した図3(イ)には、電力負荷追従運転において、現電力負荷が最大出力Pmaxを超える場合の例を示したが、最大出力Pmaxが低下設定される場合は、図7(イ)に示すように、追従出力がPmaxの規制を受ける状態となる。この結果、熱出力が減少することになり、熱余り状態に対して有効な運転となる。逆に、最小出力Pminが上昇し、現電力負荷を超える電力が発生される場合は、図7(ロ)に示すように、電気ヒータによる回収分が発生し、この余剰分が熱として回収され、熱不足状態に対して有効に利用されることとなる。
【0059】
結果、本願のコジェネレーションシステムでは、熱負荷状態に応じて動作制御手段側で設定される最大出力Pmax・最小出力Pminの範囲内で、電力負荷に応じた追従制御を行うこととなるため、電力負荷と熱負荷とのバランスの取れたエネルギー効率のよい運転を実現できる。
【0060】
〔別実施の形態〕
以下、本願の別実施例に関して説明する。
(1) 上記の実施の形態では、図4に示すように、処理熱量(処理時間)の変化に対して最大出力、最小出力が変化するものとしたが、この種の変化領域の両端部に、値が変化しない領域を設けてもよい。
この例を、図4に対応させて、図5に示した。このようにすると、一定値領域fが備えられることで、システムの安定運転化を図ることが可能となる。
【0061】
(2) 上記の実施の形態では、熱余り・熱不足の状況を検知するのに、余剰熱処理機器、不足熱処理機器の運転状況を基礎とする場合を示したが、熱出力を利用するための水の温度に基づいて、最大出力等を設定するものとしてもよい。
【0062】
燃料電池システムが燃料電池である場合、その排熱回収温度が一定であるため、夏季のように水温が上昇すると、熱回収機器としての貯湯タンクの熱容量が実質的に低下するので、水温が低い冬季に比較して、余剰熱を放熱することが多くなる。
【0063】
従って、図6に図5に対応させて、水温に応じてPmaxを制限する場合の指標を示した。この構成を取ることで、不要な放熱を減少させることができる。
図6において、横軸は水温(℃)であり、縦軸が最大出力Pmaxを示している。
【0064】
(3)上記の実施形態では、最大出力・最小出力の設定を実施する設定周期を1日、熱余り・不足を検出するための積算単位時間である設定時間帯を1時間とした例を示したが、設定周期および設定時間帯ともに、どのように設定するかについては適宜変更が可能である。
例えば、設定周期については、1週間を設定周期と設定することも可能であり、設定時間帯についても、6時間や12時間の一定時間を設定時間帯と設定したり、深夜時間帯(0時〜6時)、朝時間帯(6時〜11時)、昼時間帯(11時〜17時)、夜時間帯(17時〜24時)などのように、異なる長さの時間帯を設定時間帯と設定することが可能である。
【0065】
本願の場合、夏場と冬場との関係で、エネルギー削減効果が大きく出るので、春・夏・秋・冬といった四季の各季節単位で設定周期とすることとしてもよい。この場合、設定時間帯は1週間程度が適切である。
【0066】
(4)上記の実施形態では、運転制御部5が、電力負荷追従運転において、最大出力と最小出力の範囲内で、現電力負荷よりもα(例えば、100W)だけ小さい出力になるように、燃料電池1の出力を調整するように構成されているが、運転制御部5を、電力負荷追従運転において、現電力負荷と同じまたはほぼ同じ出力になるように、燃料電池1の出力を調整するように構成して実施することも可能である。
【0067】
(5)上記の実施形態では、貯湯タンク2に加えて、熱消費端末3を設けて、熱負荷を給湯熱負荷と端末熱負荷としたコージェネレーションシステムを例示したが、熱消費端末3を設けずに、給湯熱負荷を熱負荷とするコージェネレーションシステムとしてもよい。
【0068】
(6)上記の実施形態では、電気ヒータ12が燃料電池1の冷却水を加熱するように構成されているが、電気ヒータ12にて貯湯タンク2内の湯水を加熱するように構成して実施することも可能である。
【0069】
(7)上記の実施形態では、熱電併給装置として、燃料電池1を例示したが、熱電併給装置として、例えば、ガスエンジンなどの内燃機関と発電装置とを組み合わせたものや、スターリングエンジンなどの外燃機関と発電装置とを組み合わせたものなどを適応することも可能である。
【0070】
ちなみに、熱電併給装置として、例えば、燃料電池あるいは、ガスエンジンと発電装置とを組み合わせたものを適応するものでは、ラジエター19の設置位置を冷却水循環路13の流路中としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】コージェネレーションシステムの概略構成図
【図2】運転制御部の機能ブロック図
【図3】電力負荷追従運転における説明図
【図4】処理熱量・処理時間に対する最大出力及び最小出力の設定状態を示す図
【図5】処理熱量・処理時間に対する最大出力及び最小出力の、別実施の設定状態を示す図
【図6】水温に対する最大出力の設定状態を示す図
【図7】最大出力の低下・最小出力の上昇に伴う本願システムの運転状況を示す図
【符号の説明】
1 熱電併給装置
2 貯湯タンク
5 運転制御部
M 補助加熱機構[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention is provided with a cogeneration system capable of adjusting the output by outputting power and heat, and operation control means for controlling the operation of the cogeneration system,
The operation control means performs a power load following operation that adjusts the output of the cogeneration system within a range from a minimum output to a maximum output according to the power load so as to substantially cover the required power load. Related to cogeneration systems.
[0002]
[Prior art]
The cogeneration system as described above includes, for example, a fuel cell as a cogeneration device, and can consume power output from the cogeneration device, and stores the output heat in, for example, hot water storage tank as hot water. It is configured as follows.
[0003]
In the cogeneration system as described above, conventionally, the operation control means, while covering the power load, turns the output to heat consumption when there is heat demand, and executes heat recovery when there is no heat demand. Heat is dissipated (see, for example, Patent Document 1).
[0004]
When such a power load following operation is performed, the output of the combined heat and power supply is adjusted so as to cover the required power load within a preset minimum output to maximum output.
Conventionally, the minimum output to the maximum output are specific to the apparatus, and their values have not been changed.
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2001-258293 A
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional cogeneration system, although the operation control means can perform the power load following operation to cover the power load, it does not correspond to the required heat load, and the heat load does not correspond to the current heat load. In many cases, an excessive heat state or a heat shortage state that cannot cover the heat load occurs.
[0007]
That is, for example, when the power load is large and the heat load is small, such as in the summer, when the operation control unit performs the power load following operation, heat surpluses the current heat load, and a surplus heat state occurs. .
Conversely, if the operation control unit performs the power load following operation when the heat load is large, such as in winter, the heat load cannot be covered, and a heat shortage state occurs.
[0008]
When a surplus heat state occurs, the surplus heat is stored in, for example, a hot water storage tank or the like, but the heat stored in the hot water storage tank is simply dissipated without being used, thereby reducing the efficiency of the system. .
Further, when a heat shortage state occurs, a burner or the like, which is an auxiliary heating mechanism, is operated to cover a heat load, so that the efficiency of the system is reduced.
[0009]
The present invention has been made in view of such a point, and an object of the present invention is to provide a cogeneration system capable of realizing further energy saving. Another object of the present invention is to obtain an operation method capable of performing such an operation.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve this object, according to the invention described in
A combined heat and power supply that can output power and heat to adjust the output, and an operation control unit that controls operation of the combined heat and power supply are provided,
In the cogeneration system, wherein the operation control means performs a power load following operation in which the output of the cogeneration system is adjusted according to a power load within a range from a minimum output to a maximum output.
The operation control means is configured to manage a time-series power load and a heat load, and is generated by performing the power load following operation, according to an excess or deficiency of a heat output with respect to the heat load, The operation is performed by setting the minimum output or the maximum output or both.
[0011]
That is, since the operation control unit manages the time-series power load and the time-series heat load, the operation control unit performs the power-load following operation on the time-series power load, thereby obtaining the time-series power load. It is possible to capture the excess or deficiency of the heat output and the heat load.
[0012]
The operation control means performs the operation by setting the maximum output, the minimum output, or both of them, according to the excess or deficiency of the heat load generated by performing the power load following operation.
[0013]
As a result, the fluctuation range of the output is within the range between the maximum output and the minimum output. As a result, the power output is limited according to the heat load, and the overall efficiency in consideration of the power and heat is reduced. Thus, it is possible to reduce waste of heat output and improve system efficiency.
In order to obtain such an effect, it is conceivable to control the output itself of the cogeneration system based on, for example, the present heat load or the prediction of the future heat load. Making changes quickly and responsively can be challenging. Therefore, by performing the update setting of the upper and lower limit settings such as the maximum output and the minimum output without performing the change according to the heat load of the output in on-time, the excess heat exceeding the predetermined range and the heat shortage state can be eliminated. Can respond well.
[0014]
From the above, according to the first aspect of the present invention, it is possible to provide a cogeneration system capable of realizing further energy saving.
[0015]
In this case, a combined heat and power device that outputs power and heat to adjust the output, and an operation control unit that controls the operation of the combined heat and power device are provided,
The cogeneration system in which the operation control unit performs an electric power load following operation that adjusts an output of the cogeneration system according to an electric power load within a range from a minimum output to a maximum output, as described in
The operation control means is configured to manage a time-series power load and a heat load, and is generated by performing the power load following operation, according to an excess or deficiency of a heat output with respect to the heat load, The minimum output and / or the maximum output are set, and the operation is performed within the range between the set maximum output and minimum output.
[0016]
According to the second aspect of the present invention, the heat generated by performing the power load following operation is larger than the heat load, and in a surplus heat state where the heat is excessive, the surplus heat treatment for recovering or radiating excess heat. Equipped with equipment,
The operation control means sets the minimum output or the maximum output or both of them according to the amount of heat to be processed by the excess heat treatment equipment or the processing time corresponding to the amount of heat to be processed.
[0017]
The operating state of the surplus heat treatment equipment is representative of the state in which the operation of the cogeneration unit provided in the system is operating in the surplus heat state, so the maximum output or the minimum output depends on the amount of heat or the processing time of this equipment. By setting both, it is possible to avoid the occurrence of the excessive heat state as much as possible.
In this case, the maximum output is set lower as the amount of heat to be processed and the time are larger.
This kind of surplus heat mainly includes heat that is radiated and discarded, but also includes recovered heat that cannot be used due to the relationship with the heat load.
[0018]
According to the invention described in
The operation control means sets the minimum output or the maximum output or both of them according to a supplementary heat amount of the insufficient heat supplementary device or a supplementary time corresponding to the supplementary heat amount.
[0019]
The operating state of the insufficient heat supplementary device indicates that the operation of the combined heat and power unit provided in the system is operating in a state of insufficient heat. By setting both outputs, it is possible to avoid the occurrence of a heat shortage state as much as possible.
In this case, the minimum output is set higher as the amount of heat to be processed and the time are larger.
[0020]
Further, according to the invention as set forth in
[0021]
The heat output can be used by converting water into hot water, but the heat demand (heat load) used in the heat recovery equipment largely depends on the water temperature. That is, in a situation where the water temperature in summer is high, a surplus state tends to occur, and in a situation where the water temperature is low in winter, heat shortage tends to occur.
This situation is a situation in which the heat and power supply side needs to control the heat output side, which is a problem of the present application. Therefore, by setting the maximum output and / or the minimum output according to the water temperature, the upper limit and the lower limit of the follow-up control can be set, and waste of the heat output can be eliminated.
In this case, the higher the water temperature, the lower the maximum output and the lower the minimum output.
[0022]
According to the invention as set forth in
Although the present application is intended to appropriately cope with the heat load, for example, when looking at the heat demand of each home, there is a large fluctuation in the heat demand in daily units or time zones.
Furthermore, for example, the heat demand pattern differs greatly between a home bathing every day and a home bathing every other day.
On the other hand, in a device such as a fuel cell which should respond to the power demand, the device is operated continuously for 24 hours to cope with the power load, so that an imbalance is easily generated between the power load and the heat load. Therefore, in the operation of the cogeneration system that basically takes the form of electric main operation, it is necessary to appropriately consider the heat load according to the period set according to the situation.
[0023]
Then, for example, a predetermined period corresponding to each household's life pattern is individually set, and the maximum output and the minimum output are set according to the amount of excess or deficiency on the heat side within the predetermined period. When the operation is performed, as a result, a more efficient operating condition can be realized. Therefore, an appropriate low energy effect can be obtained every period.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
A cogeneration system according to the present invention will be described with reference to the drawings.
〔system〕
As shown in FIGS. 1 and 2, the cogeneration system collects a
[0025]
(Power system)
The
The
[0026]
The
[0027]
The commercial
Then, the power supplied from the
[0028]
The
The
[0029]
(Thermal system)
The hot
[0030]
The hot
By switching the three-
[0031]
The
In the heat
The auxiliary heating mechanism M includes a
Further, the heat
[0032]
The cooling
[0033]
The
[0034]
In the
The
[0035]
Further, hot water supply load measuring means 31 for measuring hot water supply heat load when hot water is taken out of hot
[0036]
(Operation control unit)
1 Operation control of equipment provided in hot water storage unit The
[0037]
Incidentally, when hot water is supplied, hot water taken out of the hot
[0038]
2. Management of Power Load / Heat Load The
[0039]
The
Then, the
[0040]
In addition, when updating the time-series power load and the time-series heat load according to the actual use condition, the
[0041]
3. Basic Operation Control of Fuel Cell Hereinafter, control of operation of the
The
[0042]
To explain the actual operation state, the
[0043]
For example, when the current power load (indicated by a solid line) changes over time, as in a time zone indicated by Tn in FIG. 3A, the output (one-turn) smaller by α (for example, 100 W) than the current power load. (Indicated by a chain line), the output of the
[0044]
This operation state is a case where the output falls between the maximum output Pmax and the minimum output Pmin in a normal time period as indicated by Tn, and the output required to cover the current power load. Are below the minimum output Pmin or exceed the maximum output Pmax. In the time zone indicated by Ta in FIG. 3A, the power load exceeds the maximum output, and the output is restricted on the maximum side. In this case, the shortage of electric power depends on the commercial system.
[0045]
Now, in the present application, the maximum output Pmax and the minimum output Pmin are changed according to the surplus heat and the heat shortage. FIG. 3B shows a setting when this kind of output regulation is applied every day. Examples have been given. This example shows an example of setting change between a bathing day (described as “bathing day” in the drawing) and a non-bathing day (described as “non-bathing day” in the drawing) in each household.
[0046]
[Management of excess heat and insufficient heat]
When a surplus heat state occurs with respect to the power load and the heat load managed as described above, the
[0047]
Here, the surplus heat state is, for example, a state in which the hot water stored in the hot
[0048]
On the other hand, the insufficient heat state is, for example, a state in which hot water is not stored in the hot
[0049]
The operation state of the surplus heat treatment equipment and the insufficient heat supplementary equipment is detected by the operation control unit, for example, when the set cycle, which is the cycle for setting the maximum output and the minimum output, is one day, and the excess heat and the insufficient heat are detected. It is assumed that the set time zone as an integrated unit time for performing the operation is one hour, and is managed in units of one day (24 hours).
That is, the heat release amount of the excess heat or the heat release time is integrated on a daily basis, and is converted and managed as the heat release processing amount Qr or the heat release processing time Tr per day. Similarly, the amount of supplementary processing of insufficient heat or the time of supplementary processing is also managed.
[0050]
As a form of these managements, the management is usually performed on a daily basis. For example, the management may be performed on the basis of the previous day, the same day of the previous week, the daily average of the previous week, etc. Further, in the case of a home where the bath water is taken every other day, a daily average may be obtained in units of a plurality of days, and the average may be managed as a value per day in the unit of a plurality of days.
[0051]
[Setting of maximum output and minimum output]
In order to eliminate the excessive heat state or the insufficient heat state, in the present application, the
In other words, the maximum output Pmax or the minimum output Pmin is set based on the above-mentioned managed excess / deficiency state on the heat side.
[0052]
More specifically, it is provided with a relationship index between the amount of processing heat Qr or the processing time Tr and the output of the fuel cell described above.
FIG. 4 shows an example of this index. In the figure, the horizontal axis indicates the amount of heat Qr (or processing time Tr) per day, and the vertical axis indicates the output P.
[0053]
Here, when the amount of processing heat (or processing time) is on the plus side, it corresponds to the surplus heat state where the system is actually dissipating heat, and is on the minus side. Corresponds to a heat deficit condition in which the system is supplemented with heat.
[0054]
Conventionally, normal operation has been performed substantially in the state of Qr (Tr) = 0 where there is substantially no heat radiation or heat reception.
In a state where the control of the present application works, the output of the
[0055]
As a specific example, a fuel cell system having a rated electric output of 1 kW and a thermal output of 1 kW and a minimum output of an electric output of 0.25 kW and a thermal output of 0.25 kW will be described as an example.
[0056]
As shown in FIG. 4, in the heat surplus state on the right side of the vertical axis, the maximum output Pmax is changed from 1 kW to 0.3 kW, and the minimum value Qr = 0 kWh (Tr = 0h) of the heat quantity (processing time) on the heat surplus side. ), Pmax = 1 kW, and Pmax = 0.3 kW for the maximum value Qr = 24 kWh (Tr = 24 h).
On the other hand, in the heat-insufficient state on the left side of the vertical axis, the minimum output Pmin is changed from 0.95 kW to 0.25 kW, and the negative minimum heat quantity (processing time) Qr = 0 kWh (Tr = 0h), Pmin = 0.25 kW, and the negative maximum value Qr = 24 kWh (Tr = 24h), Pmin = 0.95 kW.
[0057]
Therefore, when the daily heat quantity (time) Qr (Tr) managed by the operation control means is fixed for a specific day, the maximum output Pmax and the minimum output Pmin shown in FIG. Is determined. In FIG. 4, the case where the processing heat amount is 10 kWh is indicated by an arrow.
[0058]
FIG. 3A described above illustrates an example in which the current power load exceeds the maximum output Pmax in the power load following operation. However, when the maximum output Pmax is set to decrease, FIG. ), The follow-up output is subject to Pmax regulation. As a result, the heat output is reduced, and the operation is effective for the excessive heat state. Conversely, when the minimum output Pmin rises and electric power exceeding the current electric power load is generated, as shown in FIG. 7 (b), a recovery amount is generated by the electric heater, and this surplus is recovered as heat. Therefore, it can be effectively used for a heat shortage state.
[0059]
As a result, in the cogeneration system of the present application, the follow-up control according to the power load is performed within the range of the maximum output Pmax and the minimum output Pmin set on the operation control means side according to the heat load state. Energy-efficient operation with a balanced load and heat load can be realized.
[0060]
[Another embodiment]
Hereinafter, another embodiment of the present application will be described.
(1) In the above embodiment, as shown in FIG. 4, the maximum output and the minimum output change with the change in the amount of processing heat (processing time). , A region where the value does not change may be provided.
This example is shown in FIG. 5 corresponding to FIG. In this case, the stable operation of the system can be achieved by providing the constant value region f.
[0061]
(2) In the above-described embodiment, the case of detecting the excess heat / insufficient heat is based on the operating condition of the surplus heat treatment equipment and the insufficient heat treatment equipment. The maximum output and the like may be set based on the temperature of the water.
[0062]
When the fuel cell system is a fuel cell, since the exhaust heat recovery temperature is constant, when the water temperature rises as in summer, the heat capacity of the hot water storage tank as the heat recovery device substantially decreases, so the water temperature is low. More heat is radiated than in winter.
[0063]
Therefore, FIG. 6 shows an index corresponding to FIG. 5 in the case of limiting Pmax according to the water temperature. With this configuration, unnecessary heat radiation can be reduced.
In FIG. 6, the horizontal axis represents the water temperature (° C.), and the vertical axis represents the maximum output Pmax.
[0064]
(3) The above embodiment shows an example in which the setting cycle for setting the maximum output / minimum output is one day, and the set time zone, which is an integrated unit time for detecting excess heat or shortage, is one hour. However, how to set both the set cycle and the set time zone can be appropriately changed.
For example, one week can be set as the set cycle, and a set time zone such as a fixed time of 6 hours or 12 hours can be set as a set time zone, or a midnight time zone (0:00 -6:00), morning time (6: 00-11: 00), daytime (11: 00-17: 00), night time (17: 00-24: 00), etc. It is possible to set a time zone.
[0065]
In the case of the present application, since the energy reduction effect is large due to the relationship between summer and winter, the set cycle may be set in each of the four seasons such as spring, summer, autumn, and winter. In this case, about one week is appropriate for the set time zone.
[0066]
(4) In the above embodiment, the
[0067]
(5) In the above embodiment, in addition to the hot
[0068]
(6) In the above embodiment, the
[0069]
(7) In the above-described embodiment, the
[0070]
Incidentally, for example, in the case where a fuel cell or a combination of a gas engine and a power generator is applied as the cogeneration system, the installation position of the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a cogeneration system. FIG. 2 is a functional block diagram of an operation control unit. FIG. 3 is an explanatory diagram of an electric power load following operation. FIG. FIG. 5 is a diagram showing a state. FIG. 5 is a diagram showing a setting state of a maximum output and a minimum output with respect to a processing heat amount and a processing time. FIG. 6 is a diagram showing a setting state of a maximum output with respect to a water temperature. Diagram showing the operating status of the system according to the present invention as the output decreases and the minimum output increases.
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記運転制御手段が、電力負荷に応じて前記熱電併給装置の出力を、最小出力から最大出力の範囲内で調整する電力負荷追従運転を行うコージェネレーションシステムであって、
前記運転制御手段が、時系列的な電力負荷および熱負荷を管理するように構成され、前記電力負荷追従運転を行うことにより発生する、前記熱負荷に対する熱出力の過不足量に応じて、前記最小出力もしくは前記最大出力あるいはそれらの両方を設定して運転を行うコージェネレーションシステム。A combined heat and power supply that can output power and heat to adjust the output, and an operation control unit that controls operation of the combined heat and power supply are provided,
The cogeneration system, wherein the operation control unit performs an electric power load following operation that adjusts an output of the cogeneration unit according to an electric power load within a range from a minimum output to a maximum output,
The operation control means is configured to manage a time-series power load and a heat load, and is generated by performing the power load following operation, according to an excess or deficiency of a heat output with respect to the heat load, A cogeneration system that operates by setting the minimum output and / or the maximum output.
前記運転制御手段が、前記余剰熱処理機器の処理熱量あるいは前記処理熱量に対応する処理時間に応じて、前記最小出力もしくは前記最大出力あるいはそれらの両方を設定する請求項1記載のコージェネレーションシステム。The heat generated by performing the power load following operation is larger than the heat load, and in a surplus heat state in which the heat is excessive, includes an excess heat treatment device that recovers or radiates excess heat,
The cogeneration system according to claim 1, wherein the operation control unit sets the minimum output or the maximum output or both of them according to a processing heat amount of the surplus heat treatment equipment or a processing time corresponding to the processing heat amount.
前記運転制御手段が、前記不足熱補足機器の補足熱量あるいは前記補足熱量に対応する補足時間に応じて、前記最小出力もしくは前記最大出力あるいはそれらの両方を設定する請求項1又は2記載のコージェネレーションシステム。The heat generated by performing the power load following operation is smaller than the heat load, and in a heat-deficient state in which heat is insufficient, an insufficient heat supplement device that supplements the insufficient heat,
The cogeneration according to claim 1, wherein the operation control unit sets the minimum output or the maximum output or both of them according to a supplementary heat amount of the insufficient heat supplementary device or a supplementary time corresponding to the supplementary heat amount. 4. system.
前記運転制御手段が、加熱対象となる前記水の温度に応じて、前記最小出力もしくは前記最大出力あるいはそれらの両方を設定する請求項1〜3のいずれか1項記載のコージェネレーションシステム。Equipped with heat recovery equipment that obtains hot water by heating water with heat output,
The cogeneration system according to any one of claims 1 to 3, wherein the operation control means sets the minimum output, the maximum output, or both of them according to the temperature of the water to be heated.
前記運転制御手段が、電力負荷に応じて前記熱電併給装置の出力を、最小出力から最大出力の範囲内で調整する電力負荷追従運転を行うコージェネレーションシステムの運転方法であって、
前記運転制御手段が、時系列的な電力負荷および熱負荷を管理するように構成され、前記電力負荷追従運転を行うことにより発生する、前記熱負荷に対する熱出力の過不足量に応じて、前記最小出力もしくは前記最大出力あるいはそれらの両方を設定して、設定された前記最大出力と最小出力との範囲内で運転を行うコージェネレーションシステムの運転方法。A combined heat and power supply that can output power and heat to adjust the output, and an operation control unit that controls operation of the combined heat and power supply are provided,
An operation method of the cogeneration system, wherein the operation control unit performs an electric power load following operation that adjusts an output of the cogeneration system according to an electric power load within a range from a minimum output to a maximum output,
The operation control means is configured to manage a time-series power load and a heat load, and is generated by performing the power load following operation, according to an excess or deficiency of a heat output with respect to the heat load, A method of operating a cogeneration system that sets a minimum output, the maximum output, or both, and operates within a range between the set maximum output and minimum output.
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