专利名称：能量供给系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种供给电力、热等的能量供给系统。
背景技术：
作为能量供给系统，以往已知燃气动力发电机、燃气发动机热电联产系统，近年来 特别关注的有使用燃料电池一并供给电力和热的燃料电池热电联产系统。已经开发了一种燃料电池热电联产系统，该燃料电池热电联产系统具有如下部件 来进行运转以使设置有系统的对象中的消耗能量削减量、二氧化碳排放削减量最大(例 如，参照专利文献1)对电力负荷(电力消耗能量)、热负荷(由于供给热水等产生的热消 耗能量)进行测量的测量器；需求预测器，其根据由该测量器检测出的过去的负荷历史记 录来预测这些负荷的将来需求；以及运转计划器，其根据需求预测器所预测出的将来的热 水供给需求来生成燃料电池热电联产系统的运转模式。根据该以往例子的燃料电池热电联 产系统，以使消耗能量削减量、二氧化碳排放削减量最大的方式决定燃料电池热电联产系 统的起动时刻和停止时刻的组合。并且，燃料电池热电联产系统进行以下动作在决定的起动时刻起动之后，根据电 力负荷逐次改变系统的发电电力的同时进行运转，在停止时刻停止运转。还提出了根据耐用运转期间来制定燃料电池的运转计划的燃料电池的运转方法 (例如参照专利文献2)。还提出了根据过去的负荷的实际状况来预测负荷并据此决定运转时间段的热电 联产装置的运转计划方法(例如参照专利文献3)。专利文献1 日本特开2007-309598号公报专利文献2 日本特开2007-323843号公报专利文献3 日本特开2003-61245号公报
发明内容
发明要解决的问题在以往的燃料电池、热电联产装置中，虽然在运转计划的制定阶段会在一定程度 上考虑最优化，但是根据实际的运转状况的不同，运转计划反而有可能不符合实际情况而 进行不适当的运转。本发明是鉴于这种情况而完成的，其目的在于提供一种在制定运转计划的能量供 给系统中能够根据实际的运转状况、装置的动作保证期间、运转时间寿命等来使运转计划 最优化的能量供给系统。用于解决问题的方案本发明人们为了解决上述问题而进行了专心研究。其结果得出了以下见解。即，例如在使用燃料电池的能量供给系统中，如果按照在运转前制定的运转计划 进行运转，则根据实际的运转状况，有可能发生如下情况在不需要运转的时间进行运转或者在本来需要运转的时间不能进行运转。具体地说，例如在热水储存器中剩余有足够的热水而不需要生成热水的情况下， 应该使系统停止。如果即使在这种状况下也按照事先制定的运转计划不合理地进行运转， 则能量效率降低。另外，例如在热水的消耗量较多而需要生成比正常情况多的热水的情况下，应该 灵活地运转系统来生成热水。如果在这种状况下也按照事先制定的运转计划不灵活地停止 运转，则能量效率降低。因此，本发明人们想到针对能量供给系统的运转期间设定第一规定期间和包含在 第一规定期间中的多个第二规定期间，设为在第一规定期间内若超过最大运转时间则不进 行运转，同时在包含在同一第一规定时间中的第二规定时间之间相协调地调整目标运转时 间。在上述结构中，能够与实际的运转状况相应地灵活地运转能量供给系统，从而能够使运 转计划最优化。为了解决上述问题，本发明的能量供给系统具备能量供给装置，其供给电力和 热中的至少一种；以及控制装置，其构成为设定具有多个第二规定期间的期间、即第一规 定期间内的上述能量供给装置的运转时间的上限值、即第一最大运转时间，并且根据所设 定的上述第一最大运转时间，针对属于上述第一规定期间的各个上述第二规定期间，通过 运算求出并设定上述能量供给装置的运转时间的上限值的目标值、即第二目标最大运转时 间，以避免上述第一规定期间内的上述能量供给装置的运转时间超过上述第一最大运转时 间，根据在包含于某个第一规定期间中的过去的第二规定期间内上述能量供给装置实际运 转的时间，重新设定包含于该第一规定期间中的将来的第二规定期间内的第二目标最大运 转时间。在上述结构中，在制定运转计划的能量供给系统中，能够根据实际的运转状况使 运转计划最优化。在参照添附附图的基础上，根据以下优选的实施方式的详细说明，来明确本发明 的上述目的、其它目的、特征以及优点。发明的效果根据本发明的能量供给系统，在制定运转计划的能量供给系统中，能够根据实际 的运转状况使运转计划最优化。
图1是表示本发明的实施方式1的热电联产系统(cogeneration system)的结构 例的框图。图2是表示实施方式1的热电联产系统的动作例的流程图。图3是表示实施方式1的热电联产系统的运转历史记录的一例的图。图4是表示利用现有技术的热电联产系统的运转历史记录的一例的图。图5是表示实施方式1的变形例1的热电联产系统的动作例的流程图。图6是表示实施方式1的变形例2的热电联产系统的动作例的流程图。图7是表示实施方式1的变形例3的热电联产系统的动作例的流程图。图8是表示实施方式2的热电联产系统的结构例的框图。
图9是表示实施方式2的热电联产系统的动作例的流程图。图10是表示实施方式3的热电联产系统的动作例的流程图。图11是表示实施方式4的热电联产系统的动作例的流程图。图12是表示实施方式5的热电联产系统的动作例的流程图。附图标记说明1 燃料电池热电联产系统；la 燃料电池单元；Ib 热水储存单元；2 电力系统； 3 电力消耗设备；4 电力计；5 热量计；6 控制装置；6a 存储器；6b 需求预测器；6c 运 转计划器；6d 最大运转时间设定器；6e 期间设定器；7 远程控制器。
具体实施例方式下面，参照附图来说明本发明的实施方式。本发明的实施方式的能量供给系统具备能量供给装置(例如图1的燃料电池单 元la)，其供给电力和热中的至少一种；以及控制装置(例如图1的控制装置6)，其构成为 设定具有多个第二规定期间的期间、即第一规定期间内的上述能量供给装置的运转时间的 上限值、即第一最大运转时间，并且根据所设定的上述第一最大运转时间，针对属于上述第 一规定期间的各个上述第二规定期间，通过运算求出并设定上述能量供给装置的运转时间 的上限值的目标值、即第二目标最大运转时间，以避免上述第一规定期间内的上述能量供 给装置的运转时间超过上述第一最大运转时间，根据在包含于某个第一规定期间中的过去 的第二规定期间内上述能量供给装置实际运转的时间，重新设定包含于该第一规定期间内 的将来的第二规定期间的第二目标最大运转时间。在上述结构中，在制定运转计划的能量供给系统中，能够根据实际的运转状况来 使运转计划最优化。在上述能量供给系统中，第一规定期间也可以是比上述能量供给装置的动作保证 期间短的期间，上述控制装置构成为设定上述第一最大运转时间以避免在上述动作保证 期间之前达到上述能量供给装置的运转时间寿命。在上述结构中，降低了在动作保证期间之前达到运转时间寿命的可能性，同时能 够延长装置的寿命。在上述能量供给系统中，上述控制装置也可以根据预先决定的模式来改变包含在 一个上述第一规定期间中的上述第二规定期间的个数。在上述能量供给系统中，包含在一个上述第一规定期间中的上述第二规定期间的 个数也可以是固定值。在上述能量供给系统中，上述第一规定期间也可以是小于或等于一年的期间。在上述能量供给系统中，上述第二规定期间也可以是小于或等于一个月的期间。在上述能量供给系统中，上述控制装置也可以构成为设定上述第一最大运转时 间和/或上述第二目标最大运转时间使得每单位运转时间的能量成本削减量最大。在上述能量供给系统中，上述控制装置也可以构成为设定上述第一最大运转时 间和/或上述第二目标最大运转时间使得上述能量供给装置的能量消耗量最小。在上述能量供给系统中，上述能量供给装置也可以是供给电力和热的热电联供装 置，具备储存热电联供系统中所产生的热的储热器，上述控制装置构成为以使上述储热器储存的热最大的方式进行运转。上述能量供给系统也可以具有用于输入能量供给装置的起动时刻和停止时刻的 操作器(例如，图8的远程控制器7)。在上述能量供给系统中，上述控制装置也可以根据环境条件来改变上述第一最大 运转时间和/或上述第二目标最大运转时间。在上述能量供给系统中，上述控制装置也可以根据环境条件来改变包含在一个上 述第一规定期间中的上述第二规定期间的个数。在上述能量供给系统中，上述环境条件也可以包含从如下组中选择的至少一个 该组包含季节信息、日历信息、大气温度以及城市用水温度。在上述能量供给系统中，上述控制装置也可以构成为根据上述能量供给装置的累 计运转时间来更新上述第一最大运转时间。在上述能量供给系统中，上述控制装置也可以构成为在上述第一规定期间内的 上述能量供给装置的运转时间小于上述第一最大运转时间的情况下，计算上述第一最大运 转时间与上述第一规定期间内的上述能量供给装置的运转时间之差并将该差进行累计，将 累计得到的时间作为累计剩余运转时间进行存储。在上述能量供给系统中，上述控制装置也可以构成为在上述累计剩余运转时间变 为预先设定的第三规定期间的情况下，重新设定上述第一最大运转时间。(实施方式1)图1是表示本发明的实施方式的热电联产(热电联供)系统的结构例的框图，作 为本实施方式的热电联产系统的一例，示出了燃料电池热电联产系统。本实施方式的热电联产系统1具备燃料电池单元Ia和热水储存单元lb，由燃料电 池单元Ia产生的电力与来自电力系统2的电力一起被供给至电力消耗设备3，其中，该燃料 电池单元Ia利用燃料电池进行发电，该热水储存单元Ib使用通过燃料电池单元Ia的燃料 电池的发电而同时产生的热来使城市用水升温而作为温水并储存。由电力计4测量电力消耗设备3所消耗的电力负荷量，由位于控制装置6中的存 储器6a依次存储该电力负荷量。另外，储存在热水储存单元Ib中的温水从自来水管的水龙头等作为温水被供给， 由热量计5测量作为温水所利用的热负荷量，并由位于控制装置6中的存储器6a依次存储 该热负荷量。热量计5例如包括测量城市用水温度的温度传感器(未图示)、测量从热水储存单 元Ib供给的温水的温度的温度传感器(未图示)以及测量从热水储存单元Ib供给的温水 的流量的流量计(未图示)，根据城市用水与温水之间的温度差和温水的流量之积，来计算 作为温水所利用的热负荷量。另外，在燃料电池热电联产系统1中配备有备用热水供给器(未图示)使得在热 水储存单元Ib内的温水用完的情况下也能够供给温水。控制装置6控制燃料电池单元Ia和能量供给系统1的运转。控制装置6还具有需求预测器6b，其根据存储在存储器6a中的电力负荷和热负 荷的产生历史记录，来预测将来电力负荷和热负荷产生的时间序列模式；运转计划器6c， 其根据由需求预测器6b预测出的电力负荷和热负荷产生的时间序列模式的预测值，来决定燃料电池热电联产系统的起动时刻和停止时刻；最大运转时间设定器6d，其设定规定期 间内的最大运转时间；以及期间设定器6e，其设定规定期间。需求预测器6b读出存储在存储器6a中的固定期间(例如一年)内的热负荷需求 的产生历史记录和电力负荷需求的产生历史记录，根据该历史记录，估计并运算在将来的 规定期间(例如一天)内随着时间推移而改变的电力负荷的预测需求以及在将来的规定期 间(例如一天)内随着时间推移而改变的热负荷的预测需求(下面将它们简称为“电力负 荷预测需求”和“热负荷预测需求”)，并将这些电力负荷预测需求和热负荷预测需求依次存 储到存储器6a中。此外，期望的是估计电力负荷预测需求和热负荷预测需求所需的过去的电力负荷 的电力消耗历史记录和热负荷的热消耗历史记录的存储期间为系统能够适当地掌握设置 有本实施方式的燃料电池热电联产系统的对象中的电力和热的消耗周期的期间，例如在将燃料电池热电联产系统设置在普通家庭中的情况下，所述过去的电力负荷的电力消耗历史 记录和热负荷的热消耗历史记录的存储期间是几天 几个月左右。另外，已经提出了各种根据电力负荷和热负荷的产生历史记录来估计电力负荷预 测需求和热负荷预测需求的方法，在此省略其详细说明。运转计划器6d为了避免在燃料电池单元Ia的动作保证期间(例如10年)之前达 到燃料电池单元Ia的运转时间寿命(例如4万个小时)，设定比动作保证期间短的第一规 定期间(例如一周)内的燃料电池单元Ia的运转时间的上限值、即第一最大运转时间，并 且根据所设定的第一最大运转时间，通过运算求出比第一规定期间短的第二规定期间(例 如一天)内的燃料电池单元Ia的目标运转时间的上限值、即第二目标最大运转时间来进行 设定，使得第一规定期间内的燃料电池单元Ia的运转时间不超过第一最大运转时间。此外，在设定第一规定期间内的第一最大运转时间时也可以不必考虑燃料电池单 元Ia的动作保证期间、燃料电池单元Ia的运转时间寿命。但是，如果考虑这些要素，则能 够在降低在动作保证期间之前达到运转时间寿命的可能性的同时抑制装置寿命降低。控制装置6以第二规定期间内的燃料电池单元Ia的运转时间原则上不超过第二 目标最大运转时间的方式运转燃料电池单元la。具体地说，例如逐一设定燃料电池单元Ia 的起动时刻和停止时刻使得第二规定期间内的燃料电池单元Ia的运转时间不超过第二目 标最大运转时间。即，起动时刻至停止时刻的时间是预定运转时间，只要使预定运转时间不 超过第二目标最大运转时间即可。此时，例如也可以决定第二规定期间内的起动时刻和停 止时刻以使后述的能量成本削减量最大并且使起动时刻至停止时刻的时间成为第二目标 最大运转时间。关于决定起动时刻和停止时刻的具体方法，也可以适当地参照后述的变形 例等。作为一例，将动作保证期间(商品寿命)设为10年，将运转时间寿命(耐久时间)设为4万个小时，将第一规定期间设为一周，将第二规定期间设为一天。此时，例如根据10 年=521. 4周，能够将第一最大运转时间设为4万个小时÷521. 4周=76. 7小时/周。另 外，能够将第二目标最大运转时间例如设为大于或等于7. 7个小时且小于或等于20个小时 的规定时间。考虑到效率，优选的是将第二目标最大运转时间设定为大于或等于一定的下 限值(例如7. 7个小时)。既可以通过由操作者输入第一最大运转时间并将其存储到控制装置6的未图示的存储部中，也可以由控制装置6自动求出第一最大运转时间。具体地说，例如也可以由控 制装置6根据动作保证期间、运转时间寿命以及第一规定期间进行运算来自动求出第一最 大运转时间。其中，不特别地限定在运算第一最大运转时间时使用的参数，可以是其它的参 数。例如也可以通过由操作者输入动作保证期间、运转时间寿命以及第一规定期间并 将这些信息存储到控制装置6的未图示的存储部中。例如能够通过下面的式(1)求出第一 最大运转时间。第一最大运转时间=运转时间寿命/(动作保证期间/第一规定期间)··· (1)能够由控制装置6根据所设定的第一最大运转时间进行运算来自动地求出第二 目标最大运转时间。表1示出了在将第一规定期间设为一周、将第二规定期间设为一天、将第一最大 运转时间设为76. 7小时的情况下由控制装置6设定的第二目标最大运转时间的一例。[表 1]
第二规定期间周曰周一周二周三周四周五周六第二目标最大运转161091197.714时间小时小时小时小时小时小时小时 在表1的例子中，将第一规定期间分割为多个第二规定期间，将关于各个第二规 定期间的第二目标最大运转时间设定成属于同一第一规定期间的所有第二规定期间的第 二目标最大运转时间的总和小于或等于该第一规定期间内的第一最大运转时间。此外，表 1中的第二规定期间内的各天是指以午夜0点(夜间)为起点并以第二天的午夜0点(夜 间)为终点的M个小时，但是本发明并不限定于此。 控制装置6进行燃料电池单元Ia的起动和停止，此时原则上以第二规定期间内的 运转时间成为第二目标最大运转时间的方式起动和停止燃料电池单元la。但是，例如如果 有操作者等介入，则也可以停止或重新起动燃料电池单元la。或者，例如预测出储存在热 水储存单元Ib中的温水越来越少而洗澡时间将近等的热水的消耗量会增加的情况，从而 判断为发生热水不足的可能性高的情况下，运转时间可以超过第二目标最大运转时间。相 反，热水储存单元Ib中储存有大量温水，从而判断为即使考虑预测出的几个小时以内的热 水消耗量，发生热水不足的可能性也不会高的情况下，可以在第二目标最大运转时间经过 之前停止运转。这样，本实施方式的第二目标最大运转时间始终只是目标，实际的运转不应 绝对受限于该第二目标最大运转时间。优选的是，控制装置6将第二规定期间内的起动停止的次数限制为小于规定次数 (小于3次、即小于或等于2次)。由此，能够更可靠地抑制由于起动停止的过度重复而导 致装置寿命降低。这样，通过将最大运转时间的设定与起动停止的次数限制进行关联，能够同时且 更可靠地实现以下效果使在动作保证期间之前达到运转时间寿命的可能性降低，并且抑 制装置寿命降低。
第一规定期间是具有多个第二规定期间的期间。例如在上述例子中，第一规定期 间包括η个第二规定期间，η为7。各个第二规定期间既可以是相同的期间(例如都为1 天)，也可以互不相同(例如第一个第二规定期间是2天，第二个第二规定期间是1天等)。 也可以使包含在第一规定期间中的第二规定期间的合计时间比第一规定期间短。在这种情 况下，虽然产生剩余时间，但是在这种情况下也能够获得本实施方式的效果，这是理所当然 的。更优选的是第二规定期间内的起动停止的次数限制为一次。即，优选的是，控制装 置6在第二规定期间内的燃料电池单元Ia的运转时间不超过第二目标最大运转时间的限 制下，仅起动一次燃料电池单元Ia并停止一次燃料电池单元la。既可以设为在某个第二 规定期间与下一个第二规定期间之间必须停止燃料电池单元la，也可以设为不必停止燃料 电池单元la。在后者的情况下，由于可以跨越多个第二规定期间来持续运转燃料电池单元 la,因此进一步提高了运转计划的灵活性。另外，例如也可以允许将某个第二规定期间内的 第二目标最大运转时间设为对个小时。在这种情况下，从该第二规定期间开始到该第二规 定期间结束为止连续不断地运转燃料电池单元la。控制装置6根据在包含于某个第一规定期间中的过去的第二规定期间内燃料电 池单元Ia实际运转的时间，重新设定包含在该第一规定期间中的将来的第二规定期间内 的第二目标最大运转时间。下面，说明本实施方式的第二目标最大运转时间的重新设定方 法。作为第一种情况，考虑包含在某个第一规定期间中的某个第二规定期间的运转时 间比第二目标最大运转时间短的情况。以上述例子来说，例如考虑以下情况虽然某一周 的第一个第二规定期间(周日)的第二目标最大运转时间是16小时，但是在周日结束的时 刻，当天的运转时间是14小时。这种情况例如是指，由于前一天(周六)的热水的使用量 少而剩余了热水，即使不生成大量热水也能够满足热水的需求。在这种情况下，实际运转时 间(燃料电池单元Ia实际运转的时间)如表2。[表 2]
权利要求
1.一种能量供给系统，具备能量供给装置，其供给电力和热中的至少一种；以及控制装置，其构成为设定具有多个第二规定期间的期间、即第一规定期间内的上述能 量供给装置的运转时间的上限值、即第一最大运转时间，并且，根据所设定的上述第一最大运转时间，针对属于上述第一规定期间的各个上述第二规 定期间，通过运算求出并设定上述能量供给装置的运转时间的上限值的目标值、即第二目 标最大运转时间，以避免上述第一规定期间内的上述能量供给装置的运转时间超过上述第 一最大运转时间，根据在包含于某个第一规定期间中的过去的第二规定期间内上述能量供给装置实际 运转的时间，重新设定包含于该第一规定期间中的将来的第二规定期间内的第二目标最大 运转时间。
2.根据权利要求1所述的能量供给系统，其特征在于，第一规定期间是比上述能量供给装置的动作保证期间短的期间，上述控制装置构成为设定上述第一最大运转时间以避免在上述动作保证期间之前达 到上述能量供给装置的运转时间寿命。
3.根据权利要求1所述的能量供给系统，其特征在于，上述控制装置根据预先决定的模式来改变包含在一个上述第一规定期间中的上述第 二规定期间的个数。
4.根据权利要求1所述的能量供给系统，其特征在于，包含在一个上述第一规定期间中的上述第二规定期间的个数是固定值。
5.根据权利要求1所述的能量供给系统，其特征在于，上述第一规定期间是小于或等于一年的期间。
6.根据权利要求1所述的能量供给系统，其特征在于，上述第二规定期间是小于或等于一个月的期间。
7.根据权利要求1所述的能量供给系统，其特征在于，上述控制装置构成为设定上述第一最大运转时间和/或上述第二目标最大运转时间 使得每单位运转时间的能量成本削减量最大。
8.根据权利要求1所述的能量供给系统，其特征在于，上述控制装置构成为设定上述第一最大运转时间和/或上述第二目标最大运转时间 使得上述能量供给装置的能量消耗量最小。
9.根据权利要求1所述的能量供给系统，其特征在于，上述能量供给装置是供给电力和热的热电联供装置，具备储存热电联供系统中所产生 的热的储热器，上述控制装置构成为以使上述储热器所储存的热最大的方式进行运转。
10.根据权利要求1所述的能量供给系统，其特征在于，还具有操作器，该操作器用于输入上述能量供给装置的起动时刻和停止时刻。
11.根据权利要求1所述的能量供给系统，其特征在于，上述控制装置根据环境条件来改变上述第一最大运转时间和/或上述第二目标最大 运转时间。
12.根据权利要求1所述的能量供给系统，其特征在于，上述控制装置根据环境条件来改变包含在一个上述第一规定期间中的上述第二规定 期间的个数。
13.根据权利要求12所述的能量供给系统，其特征在于，上述环境条件包含从如下组中选择的至少一个该组包含季节信息、日历信息、大气温 度以及城市用水温度。
14.根据权利要求1所述的能量供给系统，其特征在于，上述控制装置构成为根据上述能量供给装置的累计运转时间来更新上述第一最大运 转时间。
15.根据权利要求14所述的能量供给系统，其特征在于，上述控制装置构成为在上述第一规定期间内的上述能量供给装置的运转时间小于上 述第一最大运转时间的情况下，上述控制装置计算上述第一最大运转时间与上述第一规定 期间内的上述能量供给装置的运转时间之差并将该差进行累计，将累计得到的时间作为累 计剩余运转时间进行存储。
16.根据权利要求14所述的能量供给系统，其特征在于，上述控制装置构成为在上述累计剩余运转时间变为预先设定的第三规定期间的情况 下，重新设定上述第一最大运转时间。
全文摘要
一种能量供给系统，具备能量供给装置(1a)，其供给电力和/或热；以及控制装置(6)，其设定具有多个第二规定期间的第一规定期间内的能量供给装置的运转时间的上限值、即第一最大运转时间，并且，针对属于第一规定期间的各个第二规定期间，通过运算求出并设定能量供给装置的运转时间的上限目标值、即第二目标最大运转时间，以避免第一规定期间内的能量供给装置的运转时间超过第一最大运转时间，根据在包含于某个第一规定期间中的过去的第二规定期间内能量供给装置实际运转的时间，重新设定包含于该第一规定期间中的将来的第二规定期间内的第二目标最大运转时间。
文档编号H01M8/04GK102149983SQ20108000254
公开日2011年8月10日 申请日期2010年3月4日 优先权日2009年3月23日
发明者小原英夫, 尾关正高, 田中良和, 鹈饲邦弘 申请人:松下电器产业株式会社