JP5314476B2 - コジェネレーションシステム - Google Patents

Description

本発明は、コジェネレーションシステム（Co-generation System）に関する。

高効率の自家用発電装置が開発されている。このような自家用発電装置の一種として、都市ガスやＬＰガスを燃料とするガスエンジン（以下、単にエンジン）で小型発電機を駆動して発電をすると共に、エンジンの排熱を利用して給湯を行う、家庭用のコジェネレーションシステムが実用化されている。
このコジェネレーションシステムに用いられるエンジン発電装置では、ガスを燃焼して回転駆動するエンジンに発電機が機械的に連結されている。
このエンジン発電装置では、起動時には、発電機を電動機として機能させることによりエンジンを起動させる。エンジンが回転し始めた状態で、エンジンに混合気を供給すると共に、点火装置にて点火制御をする。これにより、エンジンが完爆して自発回転を始める。自発回転し始めた後には、発電機（電動機として機能している）によるエンジンの回転駆動を停止する。

通常、エンジンが完爆したらスロットルの開度を制御して、エンジンに供給する混合気の量を調整しながら、エンジンの回転数を定格回転数（例えば１６００ｒｐｍ）にまで上昇させる。エンジンが定格回転数で自発回転をすると、系統連系インバータの運転を開始して、発電電力を家庭内電力として供給する。
一方、冷却媒体をエンジンに流通させて加熱すると共に、エンジンから排出される高温の排気ガスにより冷却媒体を更に加熱して家庭用の給湯器に供給している。

このようなコジェネレーションシステムでは、給湯器から運転指令が送られてくると、自動的にエンジンを起動させる構成となっている。このエンジンの起動時に、例えば特許文献１は、燃料弁を設けることにより燃料の濃度を濃くして安定したエンジンの始動を行う。

特許第３７２４６３４号公報

コジェネレーションシステムは、家庭で使用される場合、低コストであることが望まれる。したがって、燃料の濃度の薄い混合気を使用するリーンバーンエンジンは、熱効率が高く運転コストを抑えることができるので好ましい。ところが、リーンバーンエンジンは、燃料濃度が薄い分、始動直後の回転が安定しにくいために発電される電力も不安定である。このような不安定な電力を、家庭内の電力使用装置に供給すると、装置に悪影響を与える。
そこで本発明は、リーンバーンエンジンのように始動直後の回転が不安定であり、家庭内に供給することのできない不安定な電力であっても始動直後の電力を有効活用し、電力供給開始直後から電力使用装置（以下、外部というということもある）に向けて、安定した供給ができるコ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。

本発明は、回転力を出力するエンジンと、エンジンが出力する回転力により駆動されることで電力を出力する発電機と、発電機から出力される電力を外部に供給する給電線と、冷却媒体をエンジンに供給する冷却媒体循環路と、エンジンより下流側の冷却媒体循環路上に配置されて、冷却媒体を加熱するヒータと、冷却媒体循環路を流れる冷却媒体との熱交換により加熱される水を蓄えるタンクとを備えるコジェネレーションシステムを提供する。そして本発明のコジェネレーションシステムは、発電機から出力される電力を、給電線及びヒータのいずれか一方又は双方に供給することを指示する制御手段を備えることを特徴とし、この制御手段は、発電機から出力される電力を、エンジンの始動から所定期間はヒータに供給するよう指示し、所定期間経過後に給電線に供給するよう指示する。
エンジンが始動を開始してから回転が安定するまで、換言すると電力が安定するまでは電力を外部に出力せず、電力が安定した後に外部に供給すれば、外部には当初より安定した電力を供給できる。そして、安定するまでに発電された電力を積極的に使用することが効率的である。ここで、コジェネレーションシステムは、エンジンの排熱を利用して水を加熱する給湯システムを備えるが、安定するまでに発電された電力は水（冷却媒体）を加熱するのに利用することができる。

本発明に係る制御手段は、発電した電力が所定の値に達したと判断したことに基づいて所定期間を特定することができる。
また、本発明に係るコジェネレーションシステムは、ヒータを余剰電力ヒータとして機能させることが好ましい。コジェネレーションシステムは、家庭内の電力使用装置における使用電力が、コジェネレーションシステムの定格電力よりも少ない時、又は、停電時に、余剰となった発電電力を使用して水を温める余剰電力ヒータを備えていることがある。そこで、エンジンの始動から所定期間に電力が供給されるヒータに、この余剰電力ヒータとしての機能を持たせる。一つのヒータ手段に二つの機能を持たせることで、コスト上昇を抑える。

本発明のコジェネレーションシステムは、発電機から出力される電力を、エンジンの始動から所定期間はヒータに供給し、所定期間経過後は給電線に供給する。したがって、リーンバーンエンジンのように始動時の回転が不安定であっても、安定した電力を当初より外部に向けて出力できる。しかも、エンジンの始動から所定期間はヒータに供給するので、その期間に発電された電力を無駄なく使用して冷却媒体を加熱できる。

本実施の形態に係るコジェネレーション装置の構成概要を示す図である。 本実施の形態に係るコジェネレーション装置の給電部を示す図である。 本実施の形態に係るコジェネレーション装置において、エンジン始動時の電力の供給手順を示すフローチャートである。 本実施の形態に係るコジェネレーション装置において、エンジン始動時の電力の供給先ごとの電力の変動を示すグラフである。

以下、添付図１〜図４に基づき本発明に係るコジェネレーション装置１を説明する。
コジェネレーション装置１は、発電を行なう給電部３と給湯を行なう給湯部５から構成される。
＜給電部３＞
給電部３には、発電機７と、発電機７を駆動するガスエンジン９とが設けられている。発電機７の回転軸とガスエンジン９の回転軸とは機械的に連結されており、ガスエンジン９が回転駆動して発電機７を回転させると、発電機７は発電を行なう。発電機７で発電された電力は、系統連系用のインバータ装置１１によって、外部電源である商用系統３９と電圧及び周波数が一致するように整えられ、給電線１３及び配電盤４５を介して家庭内の電力使用装置４７に送られる。
一方、商用系統３９に接続された起動インバータ（ＡＣ／ＤＣコンバータ）３７から発電機７に電力を供給すると、発電機７は電動機として機能し、回転力を発生してガスエンジン９を起動できるようになっている。

発電機７は、回転軸に連結される回転子と３相出力巻線が巻回された固定子とからなる交流発電機である。回転子は、フェライト磁石、希土類磁石などの永久磁石を主構成要素として備えており、発電機７は、回転数に比例した電圧の電力を発電する。３相出力巻線の出力端はインバータ装置１１に接続される。インバータ装置１１は発電機７から出力された交流を商用系統３９と同じ品質（電圧、周波数、ノイズ等に関して）の交流に変換し、商用系統３９の位相と同期をとって連系させる。

ガスエンジン９は、駆動時に発電出力が定格出力（例えば1ｋＷ）で運転されるように調整されており、この定格運転時、振動騒音が最も小さくなるように設定されている。本発明において、ガスエンジン９の種類は問わないが、リーンバーンエンジンを用いることにより、低燃費で効率のよい発電を行なうことができる。
ミキサ６９には、エアクリーナ７１を介して外部から吸い込んだ空気が供給されると共に、ガスライン７３を介してガスが供給され、ミキサ６９にて空気とガスとが混合され、混合気となる。
ガスライン７３には、ガス遮断弁（遮断弁）７５とガバナ７７が介装されている。ガバナ７７は、ミキサ６９に供給するガスの圧力を調整する。
ミキサ６９にて空気とガスとが混合されてなる混合気は、スロットル７９を介してガスエンジン９に吸い込まれる。このとき、スロットル７９の開度を調節することにより、ガスエンジン９への混合気の供給量を調節できる。

ガスエンジン９は、混合気が供給されるとともに、点火装置６５の点火プラグからスパークを発生することにより着火し、回転駆動する。なお点火装置６５の点火時期制御は第１制御部５１により行なわれる。ガスエンジン９から排出される排気ガスは、排ガス熱交換器１７及びマフラー（図示略）を介して、外部に排出される。

給電部３には、ガスエンジン９の排熱を利用するために、冷却媒体が循環して流れる冷却媒体循環路１５がガスエンジン９を貫通して設けられている。また、冷却媒体循環路１５内の冷却媒体には、排ガス熱交換器１７及び余剰電力ヒータ１９からも熱が与えられる。

余剰電力ヒータ１９には定格運転時には電力は供給されないが、発電機７が発電しているときに、商用系統３９の負荷が急に遮断（典型的には停電時）される場合、又は、家庭内の電力使用装置４７で使用される電力が発電機７の発電電力未満の場合に、余剰電力ヒータ１９に発電電力が供給される。このようにして余剰電力ヒータ１９に振り替えて供給された電力を利用して冷却媒体循環路１５内の冷却媒体を加熱する。
本実施形態において、余剰電力ヒータ１９は他の機能を奏する。つまり、コジェネレーションシステム１は、ガスエンジン９の始動から所定期間内に発電された電力を余剰電力ヒータ１９に供給して冷却媒体循環路１５内の冷却媒体を加熱する。

＜給湯部５＞
給湯部５では、冷却媒体循環路１５内の加熱された冷却媒体は、熱交換器２１、２３によって、貯湯タンク２５に貯えられる水や、図示しない家庭内に設けられた暖房用機器（例えば、床暖房機器）に給水される水を温める。また、給湯部５には、家庭内に給湯する水を加熱する熱交換器２７、２９、さらには熱源が不足した場合の補助熱源器３１が設けられている。

次に、図２を参照しながら、給電部３の制御系について説明する。
給電部３に設けられるインバータ基板３５には、ＡＣ／ＤＣコンバータ３７と、ＤＣ／ＡＣインバータ４１が設けられている。商用系統３９は電圧、周波数はほとんど変動しない。しかし、発電機７で発電された電力は、ガスエンジン９の回転変動又は電力の使用状況により、電圧、周波数が変動しやすい。したがって、ＡＣ／ＤＣコンバータ３７及びＤＣ／ＡＣインバータ４１により、発電機７で発電された電力の電圧、周波数を商用系統３９に一致させる。そのなかで、ＡＣ／ＤＣコンバータ３７は、発電機７により発電された例えば２７０Ｖ、２１３Ｈｚの交流を、約３８０Ｖの直流に変換する。また、ＤＣ／ＡＣインバータ４１は、変換された約３８０Ｖの直流を、商用系統３９における電圧、周波数と同じ１００Ｖ／２００Ｖ、５０Ｈｚ／６０Ｈｚの交流に変換する。なお、ＡＣ／ＤＣコンバータ３７は、ガスエンジン９の始動時には、前述した起動インバータとして機能する。

インバータ基板３５には、ＡＣ／ＤＣコンバータ３７、ＤＣ／ＡＣインバータ４１を制御する第２制御部５３が設けられている。第２制御部５３は、インバータ基板３５外に設けられた余剰電力ヒータ１９への電力供給量を制御する半導体スイッチ５９に指示を送る。この指示はＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御による。

インバータ基板３５には、ＥＣＵ基板４９に電力を供給する制御電源５５が設けられている。
また、インバータ基板３５には、リレー６１が設けられている。コジェネレーション装置１において、停電時に商用系統３９に電力が供給されると、停電に対応する電気系統の保守作業に支障を来たす。そこで、停電時には、リレー６１を開く（ＯＦＦ，図２の状態）ことにより、商用系統３９への電力供給を遮断できるようになっている。

給電部３には、ガスエンジン９、スロットル７９、ガス遮蔽弁７５、点火装置６５等を制御するＥＣＵ（Engine Control Unit）基板４９が設けられている。ＥＣＵ基板４９には、第１制御部５１が設けられている。第１制御部５１には、回転数センサ８１で検出されたエンジン回転数が通知される。

また、給電部３には、商用系統３９と配電盤４５との間に、電流センサ４３が設けられている。電流センサ４３は、商用系統３９の使用電力を検出する。定格発電出力は約１ｋＷであるため、家庭内の電力使用装置４７の使用電力が１ｋＷを超えると、配電盤４５を介して商用系統３９から電力が電力使用装置４７に向けて供給される。

しかし、電力使用装置４７の使用電力が１ｋＷより少ないと、余剰の電力が商用系統３９へ逆潮流する。それを防ぐために、電流センサ４３で検出された検出結果をインバータ基板３５に設けられた第２制御部５３に常時送る。第２制御部５３は、送られてきた検出結果に基づき、商用系統３９から配電盤４５へ流れる電流が減少したことを検出すると、逆潮流が起きる可能性があるものと判断する。そして、第２制御部５３は、余剰電力ヒータ１９の使用電力を制御する半導体スイッチ５９へ、余剰電力に相当する電力を消費するようＰＷＭ制御信号を送る。

第２制御部５３は、ガスエンジン９の始動時に、発電機７で発電された電力の供給先を切替える。この電力供給先の切替えの手順を図３に基づいて説明する。
コントロールパネル８３に設けられているメインスイッチ（図示せず）をオンにすることにより、コジェネレーション装置１は始動要求される（図３ Ｓ１０１）。メインスイッチは、給湯が必要な場合に、ユーザの操作によりオンできるが、ユーザの操作を学習することにより、自動的にオンすることもできる。

始動要求がなされると、次に、発電を開始するか否かのシーケンスが実行される（図３ Ｓ１０３）。このシーケンスは、異常が発生してコジェネレーション装置１が停止している状況である場合には、その旨をコントロールパネル８３に表示して、ユーザに知らせる等の処理を行なう。この場合、コジェネレーション装置１は始動することができない。

コジェネレーション装置１が正常に始動できることがＳ１０３で確認されたならば、発電開始の命令がなされる。第２制御部５３は、発電機７に対してＡＣ／ＤＣコンバータ３７を起動インバータとして機能させ、発電機７をモータとして作動させる指示信号をＡＣ／ＤＣコンバータ３７に出力する。このとき、リレー６１は閉じられている（ＯＮ）。発電機７の回転に追従して、ガスエンジン９が回転される。ガスエンジン９が起動準備完了回転数（例えば、２００ｒｐｍ）に達したならば、第１制御部５１は、エンジン起動制御を開始する。つまり、スロットル７９、点火装置６５を作動させて、ガスエンジン９を起動させる。こうして、発電機７により発電が開始される（図３ Ｓ１０５）。ここで、ＡＣ／ＤＣコンバータ３７は、起動インバータとしての機能が解除される。また、リレー６１は開かれる（ＯＦＦ，図３ Ｓ１０７）。そうすることにより、発電機７で発電された電力が、外部、つまり家庭内の電力使用装置４７に供給されるのを止める。

次に、第２制御部５３は、発電機７で発電された電力を余剰電力ヒータ１９で消費するように半導体スイッチ５９へＰＷＭ制御信号を送る。余剰電力ヒータ１９は供給される電力により加熱され、冷却媒体循環路１５内の冷却媒体を温める。

第２制御部５３は、発電機７が安定して定格電力を発電しているか否かを判断する（図３ Ｓ１１１）。この判断の手法は、少なくとも２つある。１つは、経過時間によって安定して定格電力を発電しているとみなす方法である。試験的に発電機７をガスエンジン９で駆動させて発電を行い、定格電力が安定して得られるまでの時間を計測し、この計測結果に基づいて所定時間Ｔを第２制御部５３に設定する。そして、第２制御部５３は、発電開始から所定時間Ｔが経過した後は、発電機７が安定して定格電力を発電しているものとみなす。もう１つは、実際の発電機７の発電電力を求める方法である。これは、発電機７とＡＣ／ＤＣコンバータ３７の間の交流電力の電圧［Ｖ］、電流［Ａ］を検出することにより求めることができる。本実施の形態はいずれの方法を用いてもよいが、電圧［Ｖ］、電流［Ａ］を測定するためのセンサが不要で、低コスト化を優先する場合には、予め設定された所定時間Ｔにより、安定して定格電力が得られたと判断する。一方、精度よく定格電力を安定して発電しているか判断することを優先する場合には、実際に発電電力を求める。

第２制御部５３は、発電機７が安定して定格電力を発電していると判断したならば、リレー６１を閉じる（図３ Ｓ１１３，ＯＮ）。これにより、発電機７で発電された電力は、リレー６１の先に繋がる給電線１３を介して、家庭内の電力使用装置４７への供給が可能になる。

リレー６１を閉じた後に、第２制御部５３は、余剰電力ヒータ１９における電力の消費を絞るように、半導体スイッチ５９へＰＷＭ制御信号を送る。これにより、発電機７で発電された電力の供給先が、余剰電力ヒータ１９から電力使用装置４７へ切替えられる（図３ Ｓ１１５）。以後は、電力使用装置４７へ１ｋＷの定格電力が安定して供給される。

図４は、余剰電力ヒータ１９から電力使用装置４７へ電力の供給先が切替えられる過程の電力の変動を示している。図４に示すように、余剰電力ヒータ１９に供給される電力は、不安定に増減しながら、定格電力である１ｋＷに近づく。この電力が１ｋＷに達したら、余剰電力ヒータ１９に供給される電力は絞られ、最終的には０（ゼロ）になる。余剰電力ヒータ１９に供給される電力が絞られ始めると同時に、インバータ装置１１、リレー６１及び配電盤４５を介して電力使用装置４７への電力の供給が開始される。この電力は、図４に示すように、滑らかな単調増加を示しながら定格電力である１ｋＷに達し、以後は安定して電力使用装置４７に供給される。

以上説明したように、本実施形態は、ガスエンジン９の回転が安定して発電機７で得られる電力が定格電力に達するまでは、余剰電力ヒータ１９で消費することにより、給湯部５に循環される冷却媒体を加熱する。発電機７で安定して定格電力が得られるようになると、家庭内の電力使用装置４７に当該電力を供給する。したがって、電力使用装置４７には当初より定格電力を供給できるので、電力使用装置４７に不具合が生ずることがない。また、電力が定格電力に達して電力使用装置４７に供給するまでは、余剰電力ヒータ１９で消費するので、それまでの電力を有効に活用することができる。
また、本実施形態は、スロットル７９のみでガスエンジン９の回転数を制御する。ガスエンジン９としてリーンバーンエンジンを用いると、酸素濃度計、三元触媒を設ける必要がないため、ガスエンジン９が始動されると同時に発電を行うことができる。したがって、電力が定格電力に達するまでは余剰電力ヒータ１９で電力を消費したとしても、比較的早期に電力使用装置４７に電力の供給を始めることができる。

本実施の形態では、ガスエンジン９としてリーンバーンエンジンを用いるのが推奨されるが、これに限定されることはない。
また、定格電力に達するまでに発電された電力を消費する対象として余剰電力ヒータ１９としたが、余剰電力ヒータ１９とは別個にヒータを設けて、そこで定格電力に達するまでに発電された電力を消費することもできる。
また、余剰電力ヒータ１９はエンジンより下流側の冷却媒体循環路上に配置されることが多いが、上流側に配置しても、実現可能である。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択し、あるいは他の構成に適宜変更することが可能である。

１…コジェネレーション装置、７…発電機、９…ガスエンジン、５１…第１制御部、５３…第２制御部、１９…余剰電力ヒータ

Claims (3)

1. 回転力を出力するエンジンと、
   前記エンジンが出力する回転力により駆動されることで電力を出力する発電機と、
   前記発電機から出力される電力を外部に供給する給電線と、
   冷却媒体が前記エンジンを循環する冷却媒体循環路と、
   前記エンジンより下流側の前記冷却媒体循環路上に配置されて、前記冷却媒体を加熱するヒータと、
   前記冷却媒体循環路を流れる前記冷却媒体との熱交換により加熱される水を蓄えるタンクと、
   前記発電機から出力される電力を、前記給電線及び前記ヒータのいずれか一方又は双方に供給することを指示する制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、
   前記発電機から出力される電力を、
   前記エンジンの始動から所定期間は、前記ヒータに供給するように指示し、
   前記所定期間経過後に、前記給電線に供給するよう指示することを特徴とするコジェネレーションシステム。
2. 前記制御手段は、
   前記所定期間を、前記発電機が発電した電力が、所定の値に達したと判断したことに基づいて定めることを特徴とする請求項１に記載のコジェネレーションシステム。
3. 前記ヒータは、余剰電力ヒータとして機能することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のコジェネレーションシステム。

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