コジェネレーション装置
【課題】エンジン始動用電動機としても使える発電機を備え、外部電源との連系用インバータと駆動用インバータ間に双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを介して低電圧バッテリを接続し、停電時に双方向ＤＣ−ＤＣコンバータで昇圧して発電機をモータリングし、エンジンを始動するようにしたコジェネレーション装置において、バッテリの消耗をなるべく少なくし、かつ、停電の心配があまりない場合はコジェネレーション装置の価格を抑えられるようにすることが課題である。
【解決手段】エンジンは非停電時、連系用インバータと駆動用インバータを介して前記発電手段に供給される外部電源で始動され、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの駆動用インバータ側には、駆動用インバータ出力を前記外部電源の電圧と周波数にするＤＣ／ＡＣコンバータが接続されて、停電時、ＤＣ／ＡＣコンバータ出力を前記電力使用装置に給電すると共に、ＤＣ／ＡＣコンバータとバッテリと双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを着脱可能として一体化し、停電時起動用オプションとした。
【解決手段】エンジンは非停電時、連系用インバータと駆動用インバータを介して前記発電手段に供給される外部電源で始動され、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの駆動用インバータ側には、駆動用インバータ出力を前記外部電源の電圧と周波数にするＤＣ／ＡＣコンバータが接続されて、停電時、ＤＣ／ＡＣコンバータ出力を前記電力使用装置に給電すると共に、ＤＣ／ＡＣコンバータとバッテリと双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを着脱可能として一体化し、停電時起動用オプションとした。
【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係り、特に、停電時でも排熱利用や発電ができるよう、停電時にエンジンを起動できるようにしたコジェネレーション装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近のコジェネレーション装置は、都市ガスや天然ガスなどの比較的クリーンなエネルギーを用いるエンジンを用いて発電機を駆動すると共に、エンジンの発熱や余剰電力を利用して冷却水を温め、熱交換して排熱利用できるようにしたり、エンジンを低出力で運転すると効率が低下するため、稼働時には例えば１ＫＷなどの定格で運転し、家庭内の電力使用装置の負荷の変動に対応させて商用系統と連系しながら排熱利用と給電とを行えるようにしている。
【０００３】
このようなコジェネレーション装置は例えば特許文献１に、商用系統に電流センサを、電力使用装置側に蓄電手段と余剰電力消費ヒータとを設け、電流センサで商用系統の電流量を検出し、家庭内の電力使用装置の使用電力が小さいときに発電機の余剰電力が商用系統に逆潮流しないよう、蓄電手段に電力を蓄電すると共に余剰電力消費ヒータを動作させるように制御しながら通電し、給湯用加熱が行えるようにしたコジェネレーション装置が示されている。
【０００４】
これを図４に基づいて簡単に説明すると、図中５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、……は一般家庭等の電力消費箇所に設けられた電力消費機器、５２は発電手段として熱と電力を発生し、複数の電力消費機器５０に電力を供給する熱電併給装置で、発電機５２ｇとその発電機５２ｇを駆動するガスエンジン５２ｅとを備えて交流電力を発電するように構成されている。５３はコージェネレーションシステムの運転を制御する運転制御部、５４は発電機５２ｇの出力電力を商用系統６０から供給される電力と同じ電圧と周波数にするためのインバータ、５５は複数の電力消費機器５０のうちの一部の電力消費機器５０に設けられ、発電機５２ｇが発電して余った余剰電力を商用系統６０へ逆潮流させないためと、自己が消費する電力を蓄えるための蓄電池、５６は余剰電力を蓄電池５５に蓄えたり蓄電池５５から放電させたりする制御を行う充放電制御部である。
【０００５】
５７は熱電併給装置５２が発生した電気を、電力消費機器５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、……や蓄電池５５への充電によっても使い切れないとき、この余剰電力を使って水を温めたりする電気ヒータで、例えば発電機５２ｇの出力電力１ＫＷと同程度の電力を消費するヒータを用いる。５８は余剰電力を蓄電池５５に蓄えるために交流を直流に変換する直流電源部、５９は蓄電池５５への充電状態と蓄電した電力を消費する運転状態とを切り換える充電断続用スイッチ、６０は外部電源としての商用系統、６１は家庭内に設けられた分電盤、６２は商用ライン、６３は給電線、６４は商用ライン６２を流れる電流を計測し、逆潮流が発生するか否かを検出する電流センサ、６５はヒータ用分配線、６６は電気ヒータ５７に供給される電力を調節するためのスイッチング回路、６７は冷却水循環路、６８は冷却水循環ポンプである。なお、図示はしていないが、冷却水循環路６７を通ってガスエンジン５２ｅや電気ヒータ５７で温められた温水は、貯湯タンクなどに蓄えられ、暖房端末などに供給されて屋内暖房などに使用される。
【０００６】
そしてこのコジェネレーションシステムでは、ガスエンジン５２ｅによって駆動される発電機５２ｇにより発電された電力は、系統連系用のインバータ５４によって電圧と周波数が商用系統６０と同じになるよう揃えられ、給電線６３に送り出される。一方、ガスエンジン５２ｅの排熱は、冷却水循環ポンプ６８から冷却水循環路６７を通して送られてくる冷却水を温め、また、発電機５２ｇで発電されて、電力消費機器５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、……で使い切れなかった余剰電力で駆動される電気ヒータ５７により温められ、図示していない貯湯タンクに蓄えられたり、暖房端末などに供給されて屋内暖房などに使用される。
【０００７】
そして余剰電力による電気ヒータ５７の駆動は、発電機５２ｇの発電電力が商用系統６０側に逆潮流しないよう、商用ライン６２に流れる電流を測定した電流センサ６４からの信号を受けた運転制御部５３が、スイッチング回路６６を制御して供給電力を調節して行う。
【０００８】
すなわち熱電併給装置５２に余剰電力が無いとき、電流センサ６４を通して商用系統６０からの電流（以下、正方向電流と称する）が検出されるが、熱電併給装置５２に余剰電力が生じると、電流センサ６４の正方向電流値は検出されなくなる。そのため運転制御部５３は、電流センサ６４にて検出される正方向電流値が低下する傾向のとき、その正方向電流値が逆潮流防止用の設定下限電流値となるよう、スイッチング回路６６を制御するように構成されている。
【０００９】
そしてこのようなコージェネレーションシステムは、一般的に例えば炊事場回りの外に、熱電併給装置５２とエンジンの排熱を利用する給湯ユニット、及びこれら熱電併給装置５２や給湯ユニットを制御する運転制御部５３などを含む発電・給湯ユニットを設けて行われる。
【００１０】
また、このようなコジェネレーション装置における熱電併給装置５２を構成するエンジンは、通常、車などと同様バッテリで動作するセルモータを用いて起動したり、連系した系統から電力を得て回転するセルモータを用いて起動する等のことが行われている。
【００１１】
しかしながら、車などと同様バッテリで動作するセルモータを用いると、コジェネレーション装置が大型になると共にコストも上がるため、連系した系統から電力を得てセルモータを回転させるようにしているものが多い。しかしながらこのようにした場合、停電時にはエンジンを起動することができず、例えば災害などによって停電はしたがガスだけは供給されている、というような場合でも排熱利用や給電を行うことができず、せっかくガスが使えて排熱利用や給電を可能とする装置がありながら、使うことができないという状態になる。
【００１２】
こういった問題を解決するため例えば特許文献２には、エンジンによって回転されてエンジン始動用電動機としても使える発電機を備え、その発電機出力を駆動用インバータで直流に変換した後ＤＣレギュレータとインバータによって商用系統と連系できる交流に変換し、解列のためのブレーカを含むＡＴＳを介して商用系統と連系させて、配電盤から電気負荷に接続した発電ユニットを有するコジェネレーション装置において、駆動用インバータとＤＣレギュレータとの間に双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを介して１２Ｖ程度のバッテリを接続し、エンジン始動時には双方向ＤＣ−ＤＣコンバータで昇圧して発電機をモータリングすると共に、発電機で発電した電力が余ったときは、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータで降圧してバッテリを充電できるようにして、停電時でも発電できるようにしたコジェネレーション装置が提案されている。
【００１３】
【特許文献１】特開２００６−１５８１４８号公報
【特許文献２】特開２００６−１２１８８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら特許文献２に示されたコジェネレーション装置では、エンジンは常時、バッテリと双方向ＤＣ−ＤＣコンバータによって発電機をモータリングして起動されており、また、商用系統との連系と、停電時の解列と電力使用装置への接続を単一のＡＴＳで行っていて、それだけバッテリの消耗が早いと共に、停電の心配があまりない場合はバッテリと双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの分、及び電力使用装置への接続スイッチ分だけ高価になる。
【００１５】
そのため本発明においては、エンジン始動用電動機としても使える発電機を備え、外部電源との連系用インバータと駆動用インバータ間に双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを介して１２Ｖ程度のバッテリを接続し、停電時に双方向ＤＣ−ＤＣコンバータで昇圧して発電機をモータリングしてエンジンを始動するようにしたコジェネレーション装置において、バッテリの消耗をなるべく少なくし、かつ、停電の心配があまりない場合はコジェネレーション装置の価格を抑えられるようにしたコジェネレーション装置を提供することが課題である。
【００１６】
上記課題を解決するため本発明になるコジェネレーション装置は、
外部電源と電力使用装置とに接続された発電ユニットを備え、該発電ユニットは、エンジンと該エンジン始動用電動機として使用可能な発電手段と、該発電手段と前記外部電源との間に接続されて、発電手段出力を直流に変換する双方向交流／直流変換手段と、変換された直流を外部電源と連系可能な交流に変換する第１の直流／交流変換手段とからなり、前記双方向交流／直流変換手段と第１の直流／交流変換手段との間には、双方向直流／直流変換手段を介してバッテリが接続され、停電時に前記バッテリ出力を双方向直流／直流変換手段で昇圧し、前記双方向交流／直流変換手段を介して前記発電手段をモータリングして前記エンジンを起動できるようにしたコジェネレーション装置において、
前記エンジンは、非停電時、前記第１の直流／交流変換手段と双方向交流／直流変換手段を介して前記発電手段に供給される外部電源で始動され、前記双方向直流／直流変換手段の双方向交流／直流変換手段側には、前記双方向交流／直流変換手段出力を前記外部電源の電圧と周波数にする第２の直流／交流変換手段が接続されて、停電時、該第２の直流／交流変換手段出力を前記電力使用装置に給電することを特徴とする。
【００１７】
このようにエンジンの始動を、非停電時は外部電源で、停電時はバッテリで行うようにすることで、バッテリの消費は停電時のみとなるからバッテリの消耗が押さえられ、かつ、電力使用装置への給電は、第２の直流／交流変換手段によって行うから、コジェネレーション装置における外部電源との連系側には解列用のブレーカのみを設ければ良く、停電の心配があまりない場合はコジェネレーション装置の価格を抑えるよう構成することが可能となる。
【００１８】
また、前記第２の直流／交流変換手段とバッテリと双方向直流／直流変換手段とを一体とし、停電時にエンジンを起動するためのスイッチを有するパネルを設けて着脱可能なオプションとすることで、ユーザは停電時にオプションに設けられたスイッチでコジェネレーション装置の電源を入れ、電力を使用できると共に、コジェネレーション装置本体の価格は低く押さえることが可能となり、それだけコジェネレーション装置の普及を計ることができる。
【００１９】
そして、前記第１の直流／交流変換手段の双方向交流／直流変換手段側に接続され、前記発電手段が発電した電力のうち、前記電力使用装置の使用電力量を上回った分を消費する余剰電力消費手段が設けられ、該余剰電力消費手段をコジェネレーション装置における排熱利用装置の加熱手段としてのヒータとすることで、停電時にも排熱利用が可能なコジェネレーション装置とすることができ、さらに、一般的にこのようなコジェネレーション装置におけるエンジンは、振動騒音の観点から定格一定でチューニングされているが停電時の負荷は一定とは限らないから、余剰分を余剰電力ヒータで消費することにより、エンジンは一定出力で駆動でき、それだけ振動騒音対策がなされた条件（低騒音）でエンジンを運転することができる。
【００２０】
さらに、前記双方向直流／直流変換手段は前記発電手段の余剰電力で前記バッテリを充電する降圧機能を有し、前記バッテリには前記発電手段のモータリングで消費した電力と充電電流を積算計測する電流センサが接続されて、バッテリの寿命を予測して表示装置に表示する前記オプション側に設けられた制御手段が設けられていることで、バッテリは常に満充電状態として非常時に備えることが可能となり、また、バッテリの交換時期を知ることが可能であるから非常時に始動できないという事態が生じることを防ぐことができる。
【発明の効果】
【００２１】
このように本発明によれば、停電時も排熱利用や給電を可能とするコジェネレーション装置を安価に提供できると共に、停電時にエンジンを始動するバッテリの消耗を低く抑えて交換時期を知らせることもできるから、非常時にエンジンが始動できないという事態を防ぐこともできる、コジェネレーション装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【実施例１】
【００２３】
図１は、本発明になるコジェネレーション装置における発電を行うエンジンユニットと停電時オプションを示した概略ブロック図、図２は本発明のコジェネレーション装置全体の概略ブロック図、図３は本発明になるコジェネレーション装置における排熱利用設備を説明するための概略ブロック図である。
【００２４】
最初に図３を用い、排熱利用設備を含むコジェネレーション装置の概略を説明する。この図３において１１は発電機１２を駆動する例えばガスエンジンで、発電機１２で発電された電力は、系統連系用のインバータ１３によって外部電源たる商用系統１７の電圧と周波数と同じになるよう揃えられ、給電線４９によって配電盤１５を通して家庭内の電力使用装置４７に送られる。なお、前記したように、このようなコジェネレーション装置においては、エンジンを低出力で運転すると効率が低下するため、稼働時には、例えば１ＫＷなどの定格で運転するようにし、騒音などを押さえるため、この定格運転時に振動などが最も小さくなるようチューニングされている。
【００２５】
また、商用系統１７と配電盤１５との間には電流センサ１６が設けられ、商用系統１７から配電盤１５を通って電力使用装置４７に送られる電力の電流が測定されて、インバータ１３内に設けられた制御装置に送られる。そしてインバータ１３内の制御装置は、電力使用装置４７の使用する電力が少なくなって、商用系統１７から配電盤１５を通って電力使用装置４７に送られる電流が小さくなる、すなわち発電機１２の発電した電力が余ると、余剰電力消費用のヒータ２２に通電し、商用系統１７への逆潮流が起こるのを防止する。
【００２６】
一方エンジン１１には、排熱を利用するための冷却水配管４８が設けられ、さらに排熱交換器４０からもこの冷却水配管４８内の冷却水に熱が与えられると共に、余剰電力消費用のヒータ２２によってもこの冷却水に熱が与えられる。そして熱せられた冷却水は、熱交換器４１、４３などによって貯湯タンク４２に蓄える水や、図示していない家庭内に設けられた屋内暖房用暖房端末などに供給する水を温めたりする。なお、４４、４５は同様に家庭内に給湯したりするための熱交換器であり、４６は熱源が不足した場合にガスなどを用いて熱源とする補助熱源器である。
【００２７】
以上がコジェネレーション装置の概略であるが、次に図１、図２を用い、本発明を詳細に説明する。なお、図１、図２において以上説明してきた図３と同一の構成要素には同一番号が付してある。図中、１１はエンジン、１２はエンジン始動用電動機として使用可能な発電機、１３は、発電機１２が発電した例えば３００Ｖ、２１３Ｈｚの交流を約３００Ｖの直流に変換するＡＣ／ＤＣインバータ１８と、この直流３００Ｖを外部電源たる商用系統１７における電圧、周波数と同じ交流にするためのＤＣ／ＡＣインバータ１９を搭載したインバータ基板であり、これらエンジン１１、発電機１２、インバータ基板１３、ＥＣＵ基板１４によってエンジンユニット１０が構成される。
【００２８】
なお、外部電源たる商用系統１７は周波数や電圧が変動することはまずないのに対し、発電機１２で発電した電力はその電力の使用状況によって周波数や電圧が変動しやすいため、ＡＣ／ＤＣインバータ１８とＤＣ／ＡＣインバータ１９とにより、発電機１２で発電した電気の電圧と周波数とを外部電源たる商用系統１７と同じになるよう揃えらる。またこれらＡＣ／ＤＣインバータ１８とＤＣ／ＡＣインバータ１９とは、非停電時、商用系統からの交流をＤＣ／ＡＣインバータ１９で直流に変換し、その直流をＡＣ／ＤＣインバータ１８で交流に変換してエンジン始動用電動機として使用可能な発電機１２をモータリングし、エンジン１１を始動させる、双方向タイプのＡＣ／ＤＣインバータとＤＣ／ＡＣインバータである。
【００２９】
１４は、エンジン１１のスロットル、ガス電磁弁、点火装置、各種センサー等の電子制御を行うＣＰＵ２９を搭載してエンジン１１を制御するＥＣＵ基板、２０はインバータ基板１３に搭載され、このＥＣＵ基板１４に電源を供給する制御電源、２１はＡＣ／ＤＣインバータ１８やＤＣ／ＡＣインバータ１９を制御すると共に、インバータ基板１３外に設けられた余剰電力消費ヒータ２２の消費電力を、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｏｌａｔｉｏｎ）制御によってデューティ（Ｄｕｔｙ）比を制御する半導体スイッチ２３に指示を送るＣＰＵ、２６は例えばリレーなどで構成してＣＰＵ２１による制御を可能としたブレーカである。なお、余剰電力消費ヒータ２２は、前記図３で説明したように、余剰電力で給湯用に冷却水を温めるのにも用いる。
【００３０】
通常、こういったコジェネレーション装置では、停電時に商用系統１７に電気が流れると電気系統の保守に支障を来すため、２箇所で解列できるようにすることが求められているが、ブレーカ２６はそのうちの一つであり、もう一方はＤＣ／ＡＣインバータ１９がゲートブロックとしてブレーカの代わりを勤める。１５は商用系統１７とＤＣ／ＡＣインバータ１９の出力を家庭内の電力使用機器に供給するための配電盤、１６は例えばＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）等で構成された電流センサで、この電流センサ１６の測定結果はインバータ基板１３のＣＰＵ２９に送られる。
【００３１】
また３０は、停電時に始動用電動機として使用可能な発電機１２を駆動し、エンジン１１を始動させる電力を供給すると共に、発電機１２で発電された電力を停電時配電盤３２を介して電力使用装置４７に送る停電時始動・給電ユニット、３１は停電時に給湯または給電を指示する停電時パネルで、その中の３１１は給湯スイッチ、３１２は発電スイッチ、３１３は停止スイッチ、３１４は使用電力などの表示装置、３１５、３１６、３１７、３１８は停電時始動・給電ユニット３０内のバッテリ３６の充電状態やヘタリ状態を示すための表示灯で、例えば３１５はバッテリ３６が充分充電されていることを示す青表示灯、３１６は電力が減っている状態を表す黄表示灯、３１７は電力がほとんど無くて充電せねばならない状態を示す赤表示灯、３１８はバッテリがヘタってしまって交換が必要なことを示す表示灯である。
【００３２】
３２は停電時に電力使用装置に給電するための停電時配電盤で、図２に示したように電力使用装置４７に接続されると共に、排熱利用装置の冷却水循環ポンプなどを駆動するために用いられる。３３は停電時パネル３１、停電時始動・給電ユニット３０内の双方向ＤＣ／ＤＣインバータ３４、ＤＣ／ＡＣインバータ３５、電力積算センサ３８、停電時ブレーカ３７などを制御するＣＰＵ、３６は例えば１２Ｖなどの低電圧バッテリ、３８はバッテリ３６からエンジン１１を始動するため、発電機１２のモータリング用電流を流したとき、あるいは発電機１２が発電した余剰電力によって双方向ＤＣ／ＤＣインバータ３４を介してバッテリ３６が充電されるとき、それぞれの電流を測定して積算し、バッテリ３６の寿命をＣＰＵ３３で予測するための電流積算センサ、３９は前記図３で説明したような給湯ユニットであり、図２における２７は図１における停電時始動・給電ユニット３０、停電時パネル３１を一体とした停電用オプション、２８は非停電時に排熱利用や発電、それらの停止を指示するための非停電時パネルである。
【００３３】
このように構成したコジェネレーション装置において、前記したようにエンジン１１、発電機１２、インバータ基板１３、ＥＣＵ基板１４を含むエンジンユニット１０と、前記図３に４０で示した排熱交換器、４２で示した給湯タンクなどを含む図２に３９で示した給湯ユニットは、一般的に炊事場回りの外に設置され、非停電時パネル２８と停電時パネル３１を含む停電用オプション２７とは通常家庭内に設置される。
【００３４】
この図１、図２に示したコジェネレーション装置では、非停電時は、図２に２８で示した非停電時パネル２８に設けられた給湯、または給電のためのスイッチを操作することで、まずブレーカ２６（図１参照）が閉じられ、商用系統１７から配電盤１５とブレーカ２６を介して送られる交流が、ＤＣ／ＡＣインバータ１９で直流に変換された後、ＡＣ／ＤＣインバータ１８で交流に変換され、エンジン始動用電動機として使用可能な発電機１２をモータリングしてエンジン１１を始動させる。
【００３５】
そしてそのとき、ＥＣＵ基板１４（図１参照）に搭載されたＣＰＵ２９により、エンジン１１のスロットル、ガス電磁弁、点火装置、各種センサー等が電子制御される。そして発電機１２が駆動されることで発電した例えば３００Ｖ、２１３Ｈｚの交流は、インバータ基板１３に含まれるＡＣ／ＤＣインバータ１８で約３００Ｖの直流に変換され、その後ＤＣ／ＡＣインバータ１９で、外部電源たる商用系統１７と同じ周波数のＡＣ１００Ｖ／２００Ｖの３相交流に変換されて、ブレーカ２６から配電盤１５を介して家庭内の電力使用装置に給電される。
【００３６】
外部電源たる商用系統１７と配電盤１５との間には、電流センサ１６が設けられて商用系統１７の使用電力が検出される。発電機１２の出力は前記したように例えば１ＫＷと一定であるため、家庭内の電力使用装置の使用電力がこの１ＫＷを越えると配電盤１５を介して商用系統１７から電力が供給される。
【００３７】
しかし逆に、家庭内の電力使用装置の使用電力がこの１ＫＷより少ないと、そのままでは余った電気が商用系統１７へ逆潮流する。それを防ぐため、商用系統１７と配電盤１５の間に設けられた電流センサ１６の測定結果がインバータ基板１３に搭載した制御用のＣＰＵ２１に常時送られ、このＣＰＵ２１が送られてきた測定結果を元に、商用系統１７から配電盤１５方向へ流れる電流の減少を検出すると、逆潮流が起きる可能性があるとして余剰電力消費ヒータ２２の使用電力を制御する半導体スイッチ２３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。
【００３８】
半導体スイッチ２３は、例えばトランジスタで構成され、ベースに余剰電力分の電力を消費するデューティ比としたＰＷＭ信号を入力することで、送られた信号に従って余剰電力相当の電力が余剰電力消費ヒータ２２で消費され、商用系統１７への逆潮流が防止される。
【００３９】
一方、エンジン１１の排熱は、ラジエータなどに巻回されたパイプなどで構成される排熱交換器４０（図２、図３参照）の中を通る冷却水を温め、さらに余剰電力が発生している場合は、その余剰電力を消費するヒータ２２により温められる。そして給湯、または給電停止の信号が送られてくるとブレーカ２６が開かれ、ＥＣＵ基板１４によってエンジン１１が停止されて給湯、給電が停止する。
【００４０】
そして停電により、ブレーカ２６が開くと共にＤＣ／ＡＣインバータ１９が動作を停止してゲートブロックとして働き、商用系統１７が解列されて給電は止められたが、例えばガスエンジン１１を駆動するガスは止まっていないというとき、図１、図２に示した停電時パネル３１の給湯スイッチ３１１、または発電スイッチ３１２を押下すると、信号がＣＰＵ３３に送られ、ＤＣ／ＤＣインバータ３４によってバッテリ３６の例えば１２Ｖが３００Ｖ近くに昇圧され、ＡＣ／ＤＣインバータ１８で発電機１２をモータリングするための交流に変換されて、エンジン１１が始動される。なお、バッテリは３６は１２Ｖに限らないことは勿論である。
【００４１】
そしてエンジン１１が始動することで発電機１２が駆動されると、発電された例えば３００Ｖ、２１３Ｈｚの交流は、非停電時と同様、インバータ基板１３に含まれるＡＣ／ＤＣインバータ１８で約３００Ｖの直流に変換され、停電時はＤＣ／ＡＣインバータ１９が動作を停止しているため、停電時始動・給電ユニット３０に含まれるＤＣ／ＡＣインバータ３５で商用系統１７と同じ周波数、電圧にされ、停電時ブレーカ３７と停電時配電盤３２とを介して図２に示した電力使用装置４７や図示していない冷却水循環ポンプに給電される。
【００４２】
この時、発電機１２で発電された電力が電力使用装置４７で使い切らないときは、非停電時の場合と同様、ＣＰＵ２１から半導体スイッチ２３へ余剰電力に相当する電力を消費するようＰＷＭ制御信号が送られ、余剰電力に相当する電力が余剰電力消費ヒータ２２で消費される。この余剰電力消費ヒータ２２は、前記したように図２、図３における給湯設備の冷却水を温めるために使われる。また、エンジン１１の排熱を利用する排熱交換器４０によっても冷却水が温められ、貯湯タンク４２に蓄えられて、家庭内の給湯設備、暖房設備などに送られて使われる。
【００４３】
また、例えば１２Ｖのバッテリ３６に設けられた電流積算センサ３８は、このエンジン１１の始動時に使われた電流と、その後、双方向ＤＣ／ＤＣインバータ３４を介して発電機１２が発電した余剰電力により充電されるとき、それぞれの電流を測定して積算し、ＣＰＵ３３に信号送ってバッテリ３６の寿命を予測し、その予測結果に従い、バッテリ３６が充分充電されているときはバッテリ残量として示した所に設けられた青表示灯３１５を、電力が減っている場合は黄表示灯３１６を、電力がほとんど無くて充電せねばならない状態のときは赤表示灯３１７を点灯させ、さらにバッテリがヘタってしまって交換が必要な場合は交換表示灯３１８を点灯させてユーザに知らせる。このようにすることにより、ユーザはバッテリ３６の充電量や充電が必要なこと、あるいはバッテリ３６を交換せねばならぬことを知ることができる。
【００４４】
このように停電時始動・給電ユニット３０を構成し、例えばＡＣ／ＤＣインバータ１８とＤＣ／ＡＣインバータ１９との間に着脱自在にすると共に、これを停電時パネルと共に一体化して図２に示したように停電時オプション２７とすれば、停電時に給湯設備や給電設備をあまり使うことのない場合は、この停電時オプション２７を除いたコジェネレーション装置のみをを購入し、必要な場合に停電時オプション２７を購入するといったこともできるから、コジェネレーション装置を安価にすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明によれば、コジェネレーション装置を停電時も使用できると共に、バッテリの消耗が小さく押さえられ、また、停電の心配があまりない場合はコジェネレーション装置の価格を抑えられるから、コジェネレーション装置の普及に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明になるコジェネレーション装置における発電を行うエンジンユニットと停電時オプションを示した概略ブロック図である。
【図２】本発明のコジェネレーション装置全体の概略ブロック図である。
【図３】本発明になるコジェネレーション装置における給湯設備を説明するための概略ブロック図である。
【図４】従来のコジェネレーション装置のブロック図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０ エンジンユニット
１１ エンジン
１２ 発電機
１３ インバータ基板
１４ ＥＣＵ基板
１５ 配電盤
１６ 電流センサ
１７ 商用系統
１８ ＡＣ／ＤＣインバータ
１９ ＤＣ／ＡＣインバータ
２０ 制御電源
２１ ＣＰＵ
２２ 余剰電力消費ヒータ
２３ 半導体スイッチ
２６ ブレーカ
２７ 停電用オプション
２８ 非停電時パネル
２９ ＣＰＵ
３０ 停電時始動・給電ユニット
３１ 停電時パネル
３１１ 給湯スイッチ
３１２ 発電スイッチ
３１３ 停止スイッチ
３１４ 使用電力表示装置
３１５ 青表示灯
３１６ 黄表示灯
３１７ 赤表示灯
３１８ 交換表示灯
３２ 停電時配電盤
３３ ＣＰＵ
３４ ＤＣ／ＤＣインバータ
３５ ＤＣ／ＡＣインバータ
３６ １２Ｖバッテリ
３７ 停電時ブレーカ
３８ 電流積算センサ
３９ 給湯ユニット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コジェネレーション装置に係り、特に、停電時でも排熱利用や発電ができるよう、停電時にエンジンを起動できるようにしたコジェネレーション装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近のコジェネレーション装置は、都市ガスや天然ガスなどの比較的クリーンなエネルギーを用いるエンジンを用いて発電機を駆動すると共に、エンジンの発熱や余剰電力を利用して冷却水を温め、熱交換して排熱利用できるようにしたり、エンジンを低出力で運転すると効率が低下するため、稼働時には例えば１ＫＷなどの定格で運転し、家庭内の電力使用装置の負荷の変動に対応させて商用系統と連系しながら排熱利用と給電とを行えるようにしている。
【０００３】
このようなコジェネレーション装置は例えば特許文献１に、商用系統に電流センサを、電力使用装置側に蓄電手段と余剰電力消費ヒータとを設け、電流センサで商用系統の電流量を検出し、家庭内の電力使用装置の使用電力が小さいときに発電機の余剰電力が商用系統に逆潮流しないよう、蓄電手段に電力を蓄電すると共に余剰電力消費ヒータを動作させるように制御しながら通電し、給湯用加熱が行えるようにしたコジェネレーション装置が示されている。
【０００４】
これを図４に基づいて簡単に説明すると、図中５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、……は一般家庭等の電力消費箇所に設けられた電力消費機器、５２は発電手段として熱と電力を発生し、複数の電力消費機器５０に電力を供給する熱電併給装置で、発電機５２ｇとその発電機５２ｇを駆動するガスエンジン５２ｅとを備えて交流電力を発電するように構成されている。５３はコージェネレーションシステムの運転を制御する運転制御部、５４は発電機５２ｇの出力電力を商用系統６０から供給される電力と同じ電圧と周波数にするためのインバータ、５５は複数の電力消費機器５０のうちの一部の電力消費機器５０に設けられ、発電機５２ｇが発電して余った余剰電力を商用系統６０へ逆潮流させないためと、自己が消費する電力を蓄えるための蓄電池、５６は余剰電力を蓄電池５５に蓄えたり蓄電池５５から放電させたりする制御を行う充放電制御部である。
【０００５】
５７は熱電併給装置５２が発生した電気を、電力消費機器５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、……や蓄電池５５への充電によっても使い切れないとき、この余剰電力を使って水を温めたりする電気ヒータで、例えば発電機５２ｇの出力電力１ＫＷと同程度の電力を消費するヒータを用いる。５８は余剰電力を蓄電池５５に蓄えるために交流を直流に変換する直流電源部、５９は蓄電池５５への充電状態と蓄電した電力を消費する運転状態とを切り換える充電断続用スイッチ、６０は外部電源としての商用系統、６１は家庭内に設けられた分電盤、６２は商用ライン、６３は給電線、６４は商用ライン６２を流れる電流を計測し、逆潮流が発生するか否かを検出する電流センサ、６５はヒータ用分配線、６６は電気ヒータ５７に供給される電力を調節するためのスイッチング回路、６７は冷却水循環路、６８は冷却水循環ポンプである。なお、図示はしていないが、冷却水循環路６７を通ってガスエンジン５２ｅや電気ヒータ５７で温められた温水は、貯湯タンクなどに蓄えられ、暖房端末などに供給されて屋内暖房などに使用される。
【０００６】
そしてこのコジェネレーションシステムでは、ガスエンジン５２ｅによって駆動される発電機５２ｇにより発電された電力は、系統連系用のインバータ５４によって電圧と周波数が商用系統６０と同じになるよう揃えられ、給電線６３に送り出される。一方、ガスエンジン５２ｅの排熱は、冷却水循環ポンプ６８から冷却水循環路６７を通して送られてくる冷却水を温め、また、発電機５２ｇで発電されて、電力消費機器５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、……で使い切れなかった余剰電力で駆動される電気ヒータ５７により温められ、図示していない貯湯タンクに蓄えられたり、暖房端末などに供給されて屋内暖房などに使用される。
【０００７】
そして余剰電力による電気ヒータ５７の駆動は、発電機５２ｇの発電電力が商用系統６０側に逆潮流しないよう、商用ライン６２に流れる電流を測定した電流センサ６４からの信号を受けた運転制御部５３が、スイッチング回路６６を制御して供給電力を調節して行う。
【０００８】
すなわち熱電併給装置５２に余剰電力が無いとき、電流センサ６４を通して商用系統６０からの電流（以下、正方向電流と称する）が検出されるが、熱電併給装置５２に余剰電力が生じると、電流センサ６４の正方向電流値は検出されなくなる。そのため運転制御部５３は、電流センサ６４にて検出される正方向電流値が低下する傾向のとき、その正方向電流値が逆潮流防止用の設定下限電流値となるよう、スイッチング回路６６を制御するように構成されている。
【０００９】
そしてこのようなコージェネレーションシステムは、一般的に例えば炊事場回りの外に、熱電併給装置５２とエンジンの排熱を利用する給湯ユニット、及びこれら熱電併給装置５２や給湯ユニットを制御する運転制御部５３などを含む発電・給湯ユニットを設けて行われる。
【００１０】
また、このようなコジェネレーション装置における熱電併給装置５２を構成するエンジンは、通常、車などと同様バッテリで動作するセルモータを用いて起動したり、連系した系統から電力を得て回転するセルモータを用いて起動する等のことが行われている。
【００１１】
しかしながら、車などと同様バッテリで動作するセルモータを用いると、コジェネレーション装置が大型になると共にコストも上がるため、連系した系統から電力を得てセルモータを回転させるようにしているものが多い。しかしながらこのようにした場合、停電時にはエンジンを起動することができず、例えば災害などによって停電はしたがガスだけは供給されている、というような場合でも排熱利用や給電を行うことができず、せっかくガスが使えて排熱利用や給電を可能とする装置がありながら、使うことができないという状態になる。
【００１２】
こういった問題を解決するため例えば特許文献２には、エンジンによって回転されてエンジン始動用電動機としても使える発電機を備え、その発電機出力を駆動用インバータで直流に変換した後ＤＣレギュレータとインバータによって商用系統と連系できる交流に変換し、解列のためのブレーカを含むＡＴＳを介して商用系統と連系させて、配電盤から電気負荷に接続した発電ユニットを有するコジェネレーション装置において、駆動用インバータとＤＣレギュレータとの間に双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを介して１２Ｖ程度のバッテリを接続し、エンジン始動時には双方向ＤＣ−ＤＣコンバータで昇圧して発電機をモータリングすると共に、発電機で発電した電力が余ったときは、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータで降圧してバッテリを充電できるようにして、停電時でも発電できるようにしたコジェネレーション装置が提案されている。
【００１３】
【特許文献１】特開２００６−１５８１４８号公報
【特許文献２】特開２００６−１２１８８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら特許文献２に示されたコジェネレーション装置では、エンジンは常時、バッテリと双方向ＤＣ−ＤＣコンバータによって発電機をモータリングして起動されており、また、商用系統との連系と、停電時の解列と電力使用装置への接続を単一のＡＴＳで行っていて、それだけバッテリの消耗が早いと共に、停電の心配があまりない場合はバッテリと双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの分、及び電力使用装置への接続スイッチ分だけ高価になる。
【００１５】
そのため本発明においては、エンジン始動用電動機としても使える発電機を備え、外部電源との連系用インバータと駆動用インバータ間に双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを介して１２Ｖ程度のバッテリを接続し、停電時に双方向ＤＣ−ＤＣコンバータで昇圧して発電機をモータリングしてエンジンを始動するようにしたコジェネレーション装置において、バッテリの消耗をなるべく少なくし、かつ、停電の心配があまりない場合はコジェネレーション装置の価格を抑えられるようにしたコジェネレーション装置を提供することが課題である。
【００１６】
上記課題を解決するため本発明になるコジェネレーション装置は、
外部電源と電力使用装置とに接続された発電ユニットを備え、該発電ユニットは、エンジンと該エンジン始動用電動機として使用可能な発電手段と、該発電手段と前記外部電源との間に接続されて、発電手段出力を直流に変換する双方向交流／直流変換手段と、変換された直流を外部電源と連系可能な交流に変換する第１の直流／交流変換手段とからなり、前記双方向交流／直流変換手段と第１の直流／交流変換手段との間には、双方向直流／直流変換手段を介してバッテリが接続され、停電時に前記バッテリ出力を双方向直流／直流変換手段で昇圧し、前記双方向交流／直流変換手段を介して前記発電手段をモータリングして前記エンジンを起動できるようにしたコジェネレーション装置において、
前記エンジンは、非停電時、前記第１の直流／交流変換手段と双方向交流／直流変換手段を介して前記発電手段に供給される外部電源で始動され、前記双方向直流／直流変換手段の双方向交流／直流変換手段側には、前記双方向交流／直流変換手段出力を前記外部電源の電圧と周波数にする第２の直流／交流変換手段が接続されて、停電時、該第２の直流／交流変換手段出力を前記電力使用装置に給電することを特徴とする。
【００１７】
このようにエンジンの始動を、非停電時は外部電源で、停電時はバッテリで行うようにすることで、バッテリの消費は停電時のみとなるからバッテリの消耗が押さえられ、かつ、電力使用装置への給電は、第２の直流／交流変換手段によって行うから、コジェネレーション装置における外部電源との連系側には解列用のブレーカのみを設ければ良く、停電の心配があまりない場合はコジェネレーション装置の価格を抑えるよう構成することが可能となる。
【００１８】
また、前記第２の直流／交流変換手段とバッテリと双方向直流／直流変換手段とを一体とし、停電時にエンジンを起動するためのスイッチを有するパネルを設けて着脱可能なオプションとすることで、ユーザは停電時にオプションに設けられたスイッチでコジェネレーション装置の電源を入れ、電力を使用できると共に、コジェネレーション装置本体の価格は低く押さえることが可能となり、それだけコジェネレーション装置の普及を計ることができる。
【００１９】
そして、前記第１の直流／交流変換手段の双方向交流／直流変換手段側に接続され、前記発電手段が発電した電力のうち、前記電力使用装置の使用電力量を上回った分を消費する余剰電力消費手段が設けられ、該余剰電力消費手段をコジェネレーション装置における排熱利用装置の加熱手段としてのヒータとすることで、停電時にも排熱利用が可能なコジェネレーション装置とすることができ、さらに、一般的にこのようなコジェネレーション装置におけるエンジンは、振動騒音の観点から定格一定でチューニングされているが停電時の負荷は一定とは限らないから、余剰分を余剰電力ヒータで消費することにより、エンジンは一定出力で駆動でき、それだけ振動騒音対策がなされた条件（低騒音）でエンジンを運転することができる。
【００２０】
さらに、前記双方向直流／直流変換手段は前記発電手段の余剰電力で前記バッテリを充電する降圧機能を有し、前記バッテリには前記発電手段のモータリングで消費した電力と充電電流を積算計測する電流センサが接続されて、バッテリの寿命を予測して表示装置に表示する前記オプション側に設けられた制御手段が設けられていることで、バッテリは常に満充電状態として非常時に備えることが可能となり、また、バッテリの交換時期を知ることが可能であるから非常時に始動できないという事態が生じることを防ぐことができる。
【発明の効果】
【００２１】
このように本発明によれば、停電時も排熱利用や給電を可能とするコジェネレーション装置を安価に提供できると共に、停電時にエンジンを始動するバッテリの消耗を低く抑えて交換時期を知らせることもできるから、非常時にエンジンが始動できないという事態を防ぐこともできる、コジェネレーション装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【実施例１】
【００２３】
図１は、本発明になるコジェネレーション装置における発電を行うエンジンユニットと停電時オプションを示した概略ブロック図、図２は本発明のコジェネレーション装置全体の概略ブロック図、図３は本発明になるコジェネレーション装置における排熱利用設備を説明するための概略ブロック図である。
【００２４】
最初に図３を用い、排熱利用設備を含むコジェネレーション装置の概略を説明する。この図３において１１は発電機１２を駆動する例えばガスエンジンで、発電機１２で発電された電力は、系統連系用のインバータ１３によって外部電源たる商用系統１７の電圧と周波数と同じになるよう揃えられ、給電線４９によって配電盤１５を通して家庭内の電力使用装置４７に送られる。なお、前記したように、このようなコジェネレーション装置においては、エンジンを低出力で運転すると効率が低下するため、稼働時には、例えば１ＫＷなどの定格で運転するようにし、騒音などを押さえるため、この定格運転時に振動などが最も小さくなるようチューニングされている。
【００２５】
また、商用系統１７と配電盤１５との間には電流センサ１６が設けられ、商用系統１７から配電盤１５を通って電力使用装置４７に送られる電力の電流が測定されて、インバータ１３内に設けられた制御装置に送られる。そしてインバータ１３内の制御装置は、電力使用装置４７の使用する電力が少なくなって、商用系統１７から配電盤１５を通って電力使用装置４７に送られる電流が小さくなる、すなわち発電機１２の発電した電力が余ると、余剰電力消費用のヒータ２２に通電し、商用系統１７への逆潮流が起こるのを防止する。
【００２６】
一方エンジン１１には、排熱を利用するための冷却水配管４８が設けられ、さらに排熱交換器４０からもこの冷却水配管４８内の冷却水に熱が与えられると共に、余剰電力消費用のヒータ２２によってもこの冷却水に熱が与えられる。そして熱せられた冷却水は、熱交換器４１、４３などによって貯湯タンク４２に蓄える水や、図示していない家庭内に設けられた屋内暖房用暖房端末などに供給する水を温めたりする。なお、４４、４５は同様に家庭内に給湯したりするための熱交換器であり、４６は熱源が不足した場合にガスなどを用いて熱源とする補助熱源器である。
【００２７】
以上がコジェネレーション装置の概略であるが、次に図１、図２を用い、本発明を詳細に説明する。なお、図１、図２において以上説明してきた図３と同一の構成要素には同一番号が付してある。図中、１１はエンジン、１２はエンジン始動用電動機として使用可能な発電機、１３は、発電機１２が発電した例えば３００Ｖ、２１３Ｈｚの交流を約３００Ｖの直流に変換するＡＣ／ＤＣインバータ１８と、この直流３００Ｖを外部電源たる商用系統１７における電圧、周波数と同じ交流にするためのＤＣ／ＡＣインバータ１９を搭載したインバータ基板であり、これらエンジン１１、発電機１２、インバータ基板１３、ＥＣＵ基板１４によってエンジンユニット１０が構成される。
【００２８】
なお、外部電源たる商用系統１７は周波数や電圧が変動することはまずないのに対し、発電機１２で発電した電力はその電力の使用状況によって周波数や電圧が変動しやすいため、ＡＣ／ＤＣインバータ１８とＤＣ／ＡＣインバータ１９とにより、発電機１２で発電した電気の電圧と周波数とを外部電源たる商用系統１７と同じになるよう揃えらる。またこれらＡＣ／ＤＣインバータ１８とＤＣ／ＡＣインバータ１９とは、非停電時、商用系統からの交流をＤＣ／ＡＣインバータ１９で直流に変換し、その直流をＡＣ／ＤＣインバータ１８で交流に変換してエンジン始動用電動機として使用可能な発電機１２をモータリングし、エンジン１１を始動させる、双方向タイプのＡＣ／ＤＣインバータとＤＣ／ＡＣインバータである。
【００２９】
１４は、エンジン１１のスロットル、ガス電磁弁、点火装置、各種センサー等の電子制御を行うＣＰＵ２９を搭載してエンジン１１を制御するＥＣＵ基板、２０はインバータ基板１３に搭載され、このＥＣＵ基板１４に電源を供給する制御電源、２１はＡＣ／ＤＣインバータ１８やＤＣ／ＡＣインバータ１９を制御すると共に、インバータ基板１３外に設けられた余剰電力消費ヒータ２２の消費電力を、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｏｌａｔｉｏｎ）制御によってデューティ（Ｄｕｔｙ）比を制御する半導体スイッチ２３に指示を送るＣＰＵ、２６は例えばリレーなどで構成してＣＰＵ２１による制御を可能としたブレーカである。なお、余剰電力消費ヒータ２２は、前記図３で説明したように、余剰電力で給湯用に冷却水を温めるのにも用いる。
【００３０】
通常、こういったコジェネレーション装置では、停電時に商用系統１７に電気が流れると電気系統の保守に支障を来すため、２箇所で解列できるようにすることが求められているが、ブレーカ２６はそのうちの一つであり、もう一方はＤＣ／ＡＣインバータ１９がゲートブロックとしてブレーカの代わりを勤める。１５は商用系統１７とＤＣ／ＡＣインバータ１９の出力を家庭内の電力使用機器に供給するための配電盤、１６は例えばＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）等で構成された電流センサで、この電流センサ１６の測定結果はインバータ基板１３のＣＰＵ２９に送られる。
【００３１】
また３０は、停電時に始動用電動機として使用可能な発電機１２を駆動し、エンジン１１を始動させる電力を供給すると共に、発電機１２で発電された電力を停電時配電盤３２を介して電力使用装置４７に送る停電時始動・給電ユニット、３１は停電時に給湯または給電を指示する停電時パネルで、その中の３１１は給湯スイッチ、３１２は発電スイッチ、３１３は停止スイッチ、３１４は使用電力などの表示装置、３１５、３１６、３１７、３１８は停電時始動・給電ユニット３０内のバッテリ３６の充電状態やヘタリ状態を示すための表示灯で、例えば３１５はバッテリ３６が充分充電されていることを示す青表示灯、３１６は電力が減っている状態を表す黄表示灯、３１７は電力がほとんど無くて充電せねばならない状態を示す赤表示灯、３１８はバッテリがヘタってしまって交換が必要なことを示す表示灯である。
【００３２】
３２は停電時に電力使用装置に給電するための停電時配電盤で、図２に示したように電力使用装置４７に接続されると共に、排熱利用装置の冷却水循環ポンプなどを駆動するために用いられる。３３は停電時パネル３１、停電時始動・給電ユニット３０内の双方向ＤＣ／ＤＣインバータ３４、ＤＣ／ＡＣインバータ３５、電力積算センサ３８、停電時ブレーカ３７などを制御するＣＰＵ、３６は例えば１２Ｖなどの低電圧バッテリ、３８はバッテリ３６からエンジン１１を始動するため、発電機１２のモータリング用電流を流したとき、あるいは発電機１２が発電した余剰電力によって双方向ＤＣ／ＤＣインバータ３４を介してバッテリ３６が充電されるとき、それぞれの電流を測定して積算し、バッテリ３６の寿命をＣＰＵ３３で予測するための電流積算センサ、３９は前記図３で説明したような給湯ユニットであり、図２における２７は図１における停電時始動・給電ユニット３０、停電時パネル３１を一体とした停電用オプション、２８は非停電時に排熱利用や発電、それらの停止を指示するための非停電時パネルである。
【００３３】
このように構成したコジェネレーション装置において、前記したようにエンジン１１、発電機１２、インバータ基板１３、ＥＣＵ基板１４を含むエンジンユニット１０と、前記図３に４０で示した排熱交換器、４２で示した給湯タンクなどを含む図２に３９で示した給湯ユニットは、一般的に炊事場回りの外に設置され、非停電時パネル２８と停電時パネル３１を含む停電用オプション２７とは通常家庭内に設置される。
【００３４】
この図１、図２に示したコジェネレーション装置では、非停電時は、図２に２８で示した非停電時パネル２８に設けられた給湯、または給電のためのスイッチを操作することで、まずブレーカ２６（図１参照）が閉じられ、商用系統１７から配電盤１５とブレーカ２６を介して送られる交流が、ＤＣ／ＡＣインバータ１９で直流に変換された後、ＡＣ／ＤＣインバータ１８で交流に変換され、エンジン始動用電動機として使用可能な発電機１２をモータリングしてエンジン１１を始動させる。
【００３５】
そしてそのとき、ＥＣＵ基板１４（図１参照）に搭載されたＣＰＵ２９により、エンジン１１のスロットル、ガス電磁弁、点火装置、各種センサー等が電子制御される。そして発電機１２が駆動されることで発電した例えば３００Ｖ、２１３Ｈｚの交流は、インバータ基板１３に含まれるＡＣ／ＤＣインバータ１８で約３００Ｖの直流に変換され、その後ＤＣ／ＡＣインバータ１９で、外部電源たる商用系統１７と同じ周波数のＡＣ１００Ｖ／２００Ｖの３相交流に変換されて、ブレーカ２６から配電盤１５を介して家庭内の電力使用装置に給電される。
【００３６】
外部電源たる商用系統１７と配電盤１５との間には、電流センサ１６が設けられて商用系統１７の使用電力が検出される。発電機１２の出力は前記したように例えば１ＫＷと一定であるため、家庭内の電力使用装置の使用電力がこの１ＫＷを越えると配電盤１５を介して商用系統１７から電力が供給される。
【００３７】
しかし逆に、家庭内の電力使用装置の使用電力がこの１ＫＷより少ないと、そのままでは余った電気が商用系統１７へ逆潮流する。それを防ぐため、商用系統１７と配電盤１５の間に設けられた電流センサ１６の測定結果がインバータ基板１３に搭載した制御用のＣＰＵ２１に常時送られ、このＣＰＵ２１が送られてきた測定結果を元に、商用系統１７から配電盤１５方向へ流れる電流の減少を検出すると、逆潮流が起きる可能性があるとして余剰電力消費ヒータ２２の使用電力を制御する半導体スイッチ２３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。
【００３８】
半導体スイッチ２３は、例えばトランジスタで構成され、ベースに余剰電力分の電力を消費するデューティ比としたＰＷＭ信号を入力することで、送られた信号に従って余剰電力相当の電力が余剰電力消費ヒータ２２で消費され、商用系統１７への逆潮流が防止される。
【００３９】
一方、エンジン１１の排熱は、ラジエータなどに巻回されたパイプなどで構成される排熱交換器４０（図２、図３参照）の中を通る冷却水を温め、さらに余剰電力が発生している場合は、その余剰電力を消費するヒータ２２により温められる。そして給湯、または給電停止の信号が送られてくるとブレーカ２６が開かれ、ＥＣＵ基板１４によってエンジン１１が停止されて給湯、給電が停止する。
【００４０】
そして停電により、ブレーカ２６が開くと共にＤＣ／ＡＣインバータ１９が動作を停止してゲートブロックとして働き、商用系統１７が解列されて給電は止められたが、例えばガスエンジン１１を駆動するガスは止まっていないというとき、図１、図２に示した停電時パネル３１の給湯スイッチ３１１、または発電スイッチ３１２を押下すると、信号がＣＰＵ３３に送られ、ＤＣ／ＤＣインバータ３４によってバッテリ３６の例えば１２Ｖが３００Ｖ近くに昇圧され、ＡＣ／ＤＣインバータ１８で発電機１２をモータリングするための交流に変換されて、エンジン１１が始動される。なお、バッテリは３６は１２Ｖに限らないことは勿論である。
【００４１】
そしてエンジン１１が始動することで発電機１２が駆動されると、発電された例えば３００Ｖ、２１３Ｈｚの交流は、非停電時と同様、インバータ基板１３に含まれるＡＣ／ＤＣインバータ１８で約３００Ｖの直流に変換され、停電時はＤＣ／ＡＣインバータ１９が動作を停止しているため、停電時始動・給電ユニット３０に含まれるＤＣ／ＡＣインバータ３５で商用系統１７と同じ周波数、電圧にされ、停電時ブレーカ３７と停電時配電盤３２とを介して図２に示した電力使用装置４７や図示していない冷却水循環ポンプに給電される。
【００４２】
この時、発電機１２で発電された電力が電力使用装置４７で使い切らないときは、非停電時の場合と同様、ＣＰＵ２１から半導体スイッチ２３へ余剰電力に相当する電力を消費するようＰＷＭ制御信号が送られ、余剰電力に相当する電力が余剰電力消費ヒータ２２で消費される。この余剰電力消費ヒータ２２は、前記したように図２、図３における給湯設備の冷却水を温めるために使われる。また、エンジン１１の排熱を利用する排熱交換器４０によっても冷却水が温められ、貯湯タンク４２に蓄えられて、家庭内の給湯設備、暖房設備などに送られて使われる。
【００４３】
また、例えば１２Ｖのバッテリ３６に設けられた電流積算センサ３８は、このエンジン１１の始動時に使われた電流と、その後、双方向ＤＣ／ＤＣインバータ３４を介して発電機１２が発電した余剰電力により充電されるとき、それぞれの電流を測定して積算し、ＣＰＵ３３に信号送ってバッテリ３６の寿命を予測し、その予測結果に従い、バッテリ３６が充分充電されているときはバッテリ残量として示した所に設けられた青表示灯３１５を、電力が減っている場合は黄表示灯３１６を、電力がほとんど無くて充電せねばならない状態のときは赤表示灯３１７を点灯させ、さらにバッテリがヘタってしまって交換が必要な場合は交換表示灯３１８を点灯させてユーザに知らせる。このようにすることにより、ユーザはバッテリ３６の充電量や充電が必要なこと、あるいはバッテリ３６を交換せねばならぬことを知ることができる。
【００４４】
このように停電時始動・給電ユニット３０を構成し、例えばＡＣ／ＤＣインバータ１８とＤＣ／ＡＣインバータ１９との間に着脱自在にすると共に、これを停電時パネルと共に一体化して図２に示したように停電時オプション２７とすれば、停電時に給湯設備や給電設備をあまり使うことのない場合は、この停電時オプション２７を除いたコジェネレーション装置のみをを購入し、必要な場合に停電時オプション２７を購入するといったこともできるから、コジェネレーション装置を安価にすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明によれば、コジェネレーション装置を停電時も使用できると共に、バッテリの消耗が小さく押さえられ、また、停電の心配があまりない場合はコジェネレーション装置の価格を抑えられるから、コジェネレーション装置の普及に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明になるコジェネレーション装置における発電を行うエンジンユニットと停電時オプションを示した概略ブロック図である。
【図２】本発明のコジェネレーション装置全体の概略ブロック図である。
【図３】本発明になるコジェネレーション装置における給湯設備を説明するための概略ブロック図である。
【図４】従来のコジェネレーション装置のブロック図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０ エンジンユニット
１１ エンジン
１２ 発電機
１３ インバータ基板
１４ ＥＣＵ基板
１５ 配電盤
１６ 電流センサ
１７ 商用系統
１８ ＡＣ／ＤＣインバータ
１９ ＤＣ／ＡＣインバータ
２０ 制御電源
２１ ＣＰＵ
２２ 余剰電力消費ヒータ
２３ 半導体スイッチ
２６ ブレーカ
２７ 停電用オプション
２８ 非停電時パネル
２９ ＣＰＵ
３０ 停電時始動・給電ユニット
３１ 停電時パネル
３１１ 給湯スイッチ
３１２ 発電スイッチ
３１３ 停止スイッチ
３１４ 使用電力表示装置
３１５ 青表示灯
３１６ 黄表示灯
３１７ 赤表示灯
３１８ 交換表示灯
３２ 停電時配電盤
３３ ＣＰＵ
３４ ＤＣ／ＤＣインバータ
３５ ＤＣ／ＡＣインバータ
３６ １２Ｖバッテリ
３７ 停電時ブレーカ
３８ 電流積算センサ
３９ 給湯ユニット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部電源と電力使用装置とに接続された発電ユニットを備え、該発電ユニットは、エンジンと該エンジン始動用電動機として使用可能な発電手段と、該発電手段と前記外部電源との間に接続されて、発電手段出力を直流に変換する双方向交流／直流変換手段と、変換された直流を外部電源と連系可能な交流に変換する第１の直流／交流変換手段とからなり、前記双方向交流／直流変換手段と第１の直流／交流変換手段との間には、双方向直流／直流変換手段を介してバッテリが接続され、停電時に前記バッテリ出力を双方向直流／直流変換手段で昇圧し、前記双方向交流／直流変換手段を介して前記発電手段をモータリングして前記エンジンを起動できるようにしたコジェネレーション装置において、
前記エンジンは、非停電時、前記第１の直流／交流変換手段と双方向交流／直流変換手段を介して前記発電手段に供給される外部電源で始動され、前記双方向直流／直流変換手段の双方向交流／直流変換手段側には、前記双方向交流／直流変換手段出力を前記外部電源の電圧と周波数にする第２の直流／交流変換手段が接続されて、停電時、該第２の直流／交流変換手段出力を前記電力使用装置に給電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】
前記第２の直流／交流変換手段とバッテリと双方向直流／直流変換手段とを一体とし、停電時にエンジンを起動するためのスイッチを有するパネルを設けて着脱可能なオプションとしたことを特徴とする請求項１に記載したコジェネレーション装置。
【請求項３】
前記第１の直流／交流変換手段の双方向交流／直流変換手段側に接続され、前記発電手段が発電した電力のうち、前記電力使用装置の使用電力量を上回った分を消費する余剰電力消費手段が設けられ、該余剰電力消費手段をコジェネレーション装置における排熱利用装置の加熱手段としてのヒータとしたことを特徴とする請求項１に記載したコジェネレーション装置。
【請求項４】
前記双方向直流／直流変換手段は前記発電手段の余剰電力で前記バッテリを充電する降圧機能を有し、前記バッテリには前記発電手段のモータリングで消費した電力と充電電流を積算計測する電流センサが接続されて、バッテリの寿命を予測して表示装置に表示する前記オプション側に設けられた制御手段が設けられていることを特徴とする請求項３に記載したコジェネレーション装置。
【請求項１】
外部電源と電力使用装置とに接続された発電ユニットを備え、該発電ユニットは、エンジンと該エンジン始動用電動機として使用可能な発電手段と、該発電手段と前記外部電源との間に接続されて、発電手段出力を直流に変換する双方向交流／直流変換手段と、変換された直流を外部電源と連系可能な交流に変換する第１の直流／交流変換手段とからなり、前記双方向交流／直流変換手段と第１の直流／交流変換手段との間には、双方向直流／直流変換手段を介してバッテリが接続され、停電時に前記バッテリ出力を双方向直流／直流変換手段で昇圧し、前記双方向交流／直流変換手段を介して前記発電手段をモータリングして前記エンジンを起動できるようにしたコジェネレーション装置において、
前記エンジンは、非停電時、前記第１の直流／交流変換手段と双方向交流／直流変換手段を介して前記発電手段に供給される外部電源で始動され、前記双方向直流／直流変換手段の双方向交流／直流変換手段側には、前記双方向交流／直流変換手段出力を前記外部電源の電圧と周波数にする第２の直流／交流変換手段が接続されて、停電時、該第２の直流／交流変換手段出力を前記電力使用装置に給電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】
前記第２の直流／交流変換手段とバッテリと双方向直流／直流変換手段とを一体とし、停電時にエンジンを起動するためのスイッチを有するパネルを設けて着脱可能なオプションとしたことを特徴とする請求項１に記載したコジェネレーション装置。
【請求項３】
前記第１の直流／交流変換手段の双方向交流／直流変換手段側に接続され、前記発電手段が発電した電力のうち、前記電力使用装置の使用電力量を上回った分を消費する余剰電力消費手段が設けられ、該余剰電力消費手段をコジェネレーション装置における排熱利用装置の加熱手段としてのヒータとしたことを特徴とする請求項１に記載したコジェネレーション装置。
【請求項４】
前記双方向直流／直流変換手段は前記発電手段の余剰電力で前記バッテリを充電する降圧機能を有し、前記バッテリには前記発電手段のモータリングで消費した電力と充電電流を積算計測する電流センサが接続されて、バッテリの寿命を予測して表示装置に表示する前記オプション側に設けられた制御手段が設けられていることを特徴とする請求項３に記載したコジェネレーション装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００８−２２８５４３（Ｐ２００８−２２８５４３Ａ）
【公開日】平成２０年９月２５日（２００８．９．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−６７７３３（Ｐ２００７−６７７３３）
【出願日】平成１９年３月１６日（２００７．３．１６）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【出願人】（００００００２８４）大阪瓦斯株式会社 (2,453)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年９月２５日（２００８．９．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月１６日（２００７．３．１６）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【出願人】（００００００２８４）大阪瓦斯株式会社 (2,453)
【Ｆターム（参考）】
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