JP6084077B2 - 自家発電システム - Google Patents

Description

本発明は、住宅に電力を供給する燃料電池を制御する自家発電システムに関する。

固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）は燃料電池の中でも高い発電効率を有するが、安定的に発電するには燃料電池の動作温度が７００〜１０００℃に達する必要がある。したがって、燃料電池を停止させて温度が低下した後に燃料電池を再起動した場合は動作温度が安定した発電が可能な域に達するまでに時間がかかる。

このようなＳＯＦＣの特性から、ＳＯＦＣによって自家発電と給湯が可能なエネファーム（登録商標）では、いったん装置を作動させたら、燃料である都市ガス又はＬＰＧ（液化石油ガス）の供給が続く限り装置の作動を継続することが一般的である。また、太陽光発電装置によって燃料電池の発電能力を補填することも行われている。

例えば、特許文献１では、燃料電池と太陽光発電装置を備える建物でのエネルギー需要に応じて、燃料電池および太陽光発電装置の出力比を調整する自家発電システムが提案されている。

特開２００２−０３４１６１号公報

しかしながら、住宅に供給されるガスを制御するガスメータは、所定の時間以上連続したガスの供給を検知すると、ガス漏れなどの異常事態の蓋然性があるとして住宅へのガスの供給を遮断する制御を行う。高温で作動中のＳＯＦＣはガスの供給が突然断たれると装置の故障等の障害を発生させるおそれがあるので、ガスメータによってガスの供給が中断される前にＳＯＦＣを停止する必要がある。

特許文献１に記載の技術は、燃料電池を停止する時期に特段の配慮をしていないので、曇天若しくは雨天等の場合又は夜間に燃料電池を停止することがあり、燃料電池の停止による電力供給の不足を太陽光発電装置で補填できないという問題点があった。

本発明は、上記事実を考慮して成されたもので、停止時に太陽光発電による電力の補填が可能な自家発電システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するための請求項１の発明は、可燃性のガスを燃料として用いることにより発電する燃料電池と、太陽光を受けて発電する太陽光発電手段と、外部から天気予報の情報を取得する通信手段と、前記燃料電池が作動を開始した時からの経過時間及び前記燃料電池が作動を開始した時からの経過時間と前記天気予報の情報とに基づいて前記燃料電池を停止する時期を決定するための条件を規定した停止条件テーブルを記憶する記憶手段と、前記通信手段が取得した天気予報の情報と前記記憶手段が記憶した前記燃料電池が作動を開始した時からの経過時間と前記停止条件テーブルとに基づいて、前記太陽光発電手段による発電が可能な時期を前記燃料電池の作動を停止する時期として決定し、該決定した時期に前記燃料電池の作動を停止する制御手段と、を備える。

請求項１に記載の発明によれば、取得した天気予報の情報と燃料電池が作動を開始した時からの経過時間と燃料電池を停止する時期を決定するための条件を規定した停止条件テーブルとに基づいて、太陽光発電手段による発電が可能な時期を燃料電池を停止する時期として決定することができる。

請求項２発明は、請求項１に記載の発明において、前記停止条件テーブルは、前記燃料電池が作動を開始した時からの経過時間が所定の期間以内の場合は、前記天気予報の情報にかかわらず前記燃料電池の作動を継続することを規定し、前記所定の期間を経過した後は、前記燃料電池が作動を開始した時からの経過時間と前記天気予報の情報とに基づいて前記燃料電池を停止する時期を決定するための条件を規定している。

請求項２に記載の発明によれば、停止条件テーブルにおいて、燃料電池が作動を開始した時からの経過時間が所定の期間以内の場合は、天気予報の情報にかかわらず燃料電池の作動を継続することを規定しているので、燃料電池が作動を開始してから過早な時期での燃料電池の停止を抑止できる。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記天気予報の情報は、当日及び翌日の降水確率である。

請求項３に記載の発明によれば、降水確率の情報に基づいて、太陽光発電手段による発電が可能な時期を燃料電池を停止する時期として決定することができる。

以上説明したように、請求項１に記載の発明は、取得した天気予報の情報と燃料電池が作動を開始した時からの経過時間と燃料電池を停止する時期を決定するための条件を規定した停止条件テーブルとに基づいて、太陽光発電手段による発電が可能な時期を燃料電池を停止する時期として決定することにより、停止時に太陽光発電による電力の補填が可能になるという効果を有する。

請求項２に記載の発明によれば、停止条件テーブルにおいて、燃料電池が作動を開始した時からの経過時間が所定の期間以内の場合は、天気予報の情報にかかわらず燃料電池の作動を継続することを規定しているので、燃料電池が作動を開始してから過早な時期での燃料電池の停止を抑止できるという効果を有する。

請求項３に記載の発明によれば、降水確率の情報に基づいて、太陽光発電手段による発電が可能な時期を燃料電池を停止する時期として決定することができるので、停止時に太陽光発電による電力の補填が可能になるという効果を有する。

本発明の実施の形態に係る自家発電システムの一例を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係る自家発電システムにおけるＨＥＭＳの概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る自家発電システムにおけるＨＥＭＳの処理の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る自家発電システムの停止条件テーブルの一例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る自家発電システムの停止予定日通知の処理の一例を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る自家発電システムの一例を示す概略図である。

本実施の形態では、系統電力１２からの電力が、主幹ブレーカー１００を介して住宅１０の分電盤１４に供給されている。

主幹ブレーカー１００の系統電力側には、系統電力１２から供給される電力の電流値を検知する主幹ブレーカー電流センサ１２０が設けられている。

分電盤１４には、系統電力１２とは別に自家発電装置である太陽光発電装置１６からの電力が太陽光発電用ブレーカー１０２を介して供給されている。太陽光発電装置１６には、太陽光発電装置の発電量を計測すると共に、建物内のエネルギーの管理や制御を行うＨＥＭＳ（Home Energy Management System）３０によって制御される太陽光発電制御装置１８が設けられている。

太陽光発電制御装置１８には、太陽電池パネルが発電した直流を分電盤１４から家電機器３２に供給される交流（例えば、１００Ｖ、５０Ｈｚ）に変換可能なインバータ等の変換手段が設けられている。

太陽光発電用ブレーカー１０２の分電盤側には、太陽光発電装置１６から供給される電力の電流値を検知する太陽光発電用ブレーカー電流センサ１２２が設けられている。

また、分電盤１４には、ＳＯＦＣ７０が発電した電力が燃料電池用ブレーカー１０４を介して供給されている。ＳＯＦＣ７０から分電盤１４に供給される電力の電流値は燃料電池電流センサ１２４によって検知可能である。

ＳＯＦＣ７０には、ＳＯＦＣ７０が発電した直流を分電盤１４から家電機器３２に供給される交流（例えば、１００Ｖ、５０Ｈｚ）に変換可能なインバータ等の変換手段（図示せず）が設けられている。

ＳＯＦＣ７０には、燃料である可燃性のガスが供給されている。また、ＳＯＦＣ７０が発電の廃熱で水道水を加熱するエネファーム（登録商標）の場合には、水道水も供給される。供給された水道水はＳＯＦＣ７０が作動した時に発生した熱で加熱され、貯湯タンク７２に蓄えられる。また、ガスは調理器具等のガス器具７８にも供給されており、ＳＯＦＣ７０及びガス器具７８はＨＥＭＳ３０によって制御可能である。

系統電力１２及びＳＯＦＣ７０から分電盤１４に供給された電力は、電力負荷手段である家電機器３２及び住設機器３４に分岐回路２０Ｂ、２０Ｃを介して各々供給される。なお、分岐回路２０Ａは、ＳＯＦＣ７０を起動させる電力を供給するためのものである。

分岐回路２０Ａ〜２０Ｃには分岐回路２０Ａ〜２０Ｃの電流値を計測する電流センサ２２Ａ〜２２Ｃが各々設けられている。電流センサ２２Ａ〜２２Ｃからの情報線は、主幹ブレーカー電流センサ１２０及び燃料電池電流センサ１２４からの情報線とＨＥＭＳ３０が分電盤１４を制御するための情報線と共にＨＥＭＳ３０に接続されている。なお、図１において破線は計測データ又は制御情報が流れる情報線であるとする。

分電盤１４の分岐回路２０Ａ〜２０Ｃには、分岐回路２０Ａ〜２０Ｃをオン状態又はオフ状態に切り替えるための分岐ブレーカー２４Ａ〜２４Ｃが各々設けられ、分岐ブレーカー２４Ａ〜２４Ｃは、ＨＥＭＳ３０によって制御される。

なお、図１では、記載の簡略化のために分岐回路は３系統のみ記載しているが、本実施の形態では３系統以上でも３系統以下でもよく、分岐回路の本数に特段の限定はない。

また、ＨＥＭＳ３０は、ＳＯＦＣ７０等に供給されるガスの流量を計測するガスメータ１３２及び水道の流量を計測する水道メータ１３０と接続されており、ガスの流量及び水道の流量の情報を取得可能である。また、ガスメータ１３２から下流側のガスの供給路には、ガスメータ１３２から指令によって開閉が可能な電磁弁１３４が設けられている。ガスメータ１３２は、長期間ガスが使用され続けているような場合に、電磁弁１３４を制御してＳＯＦＣ７０及びガス器具７８へのガスの供給を停止する。

ＨＥＭＳ３０にはインターネット等のネットワーク８０のゲートウェイである終端装置５６が接続されている。ＨＥＭＳ３０は、終端装置５６とネットワーク８０とを介して、気象情報サーバ９０と通信可能であり、さらには終端装置５６とネットワーク８０とを介して気象情報サーバ９０から天気予報等の気象情報を取得可能であるとする。

気象情報サーバ９０は、気象庁等の気象情報を扱う機関に設置されたサーバであり、ネットワーク８０を介して天気予報等の気象情報を配信する。

図２は、本実施の形態に係る自家発電システムに係るＨＥＭＳ３０の概略構成を示すブロック図である。

ＨＥＭＳ３０は、コンピュータを含んで構成されており、図２に示すように、ＣＰＵ３６、ＲＯＭ３８、ＲＡＭ４０、及び入出力ポート４２を備えて、これらがアドレスバス、データバス、及び制御バス等のバス４４を介して互いに接続されている。

入出力ポート４２には、各種入出力機器として、表示部４６、操作部４８、及びメモリ５０が接続されている。なお、表示部４６及び操作部４８は一体で構成され、操作部４８は、表示部４６に設けられたタッチパネルを適用することができる。

表示部４６には、家電機器３２等の電力負荷手段の消費電力量、水道メータ１３０が検知した水道水の供給量、ガスメータ１３２が検知したガスの供給量、ＳＯＦＣ７０による発電量、太陽光発電装置１６による発電量、ガスメータ１３２がガスの供給を停止する時等が表示可能である。一般にガスメータ１３２は、ガスが予め定められた期間以上連続して供給されている場合にガスの供給を停止するので、本実施の形態では、ガスの供給が開始された時から予め定められた期間後の時間をガスメータ１３２がガスの供給を停止する時とし、表示部４６に表示する。なお、予め定められた期間はガスメータ１３２の仕様によるが、多くの場合３０日である。

また、ガスメータ１３２は、ＳＯＦＣ７０等によってガスが所定の時間以上消費されない場合には、ガスを連続して供給した時間の記録をリセットすると共に、記録をリセットをしたことを示すリセット信号を出力する。

家電機器３２の消費電力量は電流センサ２２Ｂが検知した電流値から、住設機器３４の消費電力は電流センサ２２Ｃが検知した電流値から算出可能である。また、ＳＯＦＣ７０の発電量は、燃料電池電流センサ１２４が検知した電流値に基づいて算出可能である。

分電盤１４から電力負荷手段に供給される電力及びＳＯＦＣ７０から供給される電力の電圧は略１００Ｖなので、本実施の形態では各電流センサが検知した電流値に１００を乗算することで、電力量を算出可能である。しかしながら、電圧の変動が大きい分岐回路では、別途電圧を測定する手段を設けてもよい。

メモリ５０には、分岐ブレーカー２４Ａ〜２４Ｃを制御するプログラム、ＳＯＦＣ７０を制御するプログラム及びこれらのプログラムを実行するための各種情報等並びにＳＯＦＣ７０が作動を開始した時からの経過時間と天気予報の情報とに基づいてＳＯＦＣ７０を停止する時期を決定するための条件を規定した停止条件テーブルが記憶されている。また、メモリ５０は、リセット信号を受信してＳＯＦＣ７０が作動を開始した時からの経過時間を記憶する。本実施の形態では、リセット信号の受信直後にＳＯＦＣ７０を作動させるので、記憶する経過時間は、リセット信号を受信した時からの経過時間でもよいし、リセット信号を受信後にＳＯＦＣ７０が実際に作動を開始した時からの経過時間でもよい。前者の場合はリセット信号を、後者の場合はＳＯＦＣ７０から作動を開始したことを示す信号を、各々ＨＥＭＳ３０が受信したことを経過時間の記憶開始の契機とする。

ＨＥＭＳ３０は、メモリ５０に記憶されたプログラムをＲＡＭ４０等に展開してＣＰＵ３６で実行することにより、住宅１０へ供給する電力の制御等の各種制御を行うようになっている。

さらに、入出力ポート４２には、分電盤１４、ＳＯＦＣ７０、終端装置５６、ガス器具７８、水道メータ１３０及びガスメータ１３２等が接続されている。

続いて、本実施の形態に係るＨＥＭＳ３０の制御について説明する。図３は、本実施の形態に係る自家発電システムにおけるＨＥＭＳの処理の一例を示すフローチャートである。

ステップ３００では、気象情報サーバ９０から天気予報の情報を取得する時間か否かが判定され、肯定判定の場合は、ステップ３０２で天気予報の情報をネットワーク８０を介して取得する。天気予報の情報を取得する時間は任意に設定できるが、例えば、気象庁は毎日５時、１１時、１７時及び２３時に天気予報の情報を更新するので、１日のうち、これらの時間の少なくともいずれか１つで天気予報の情報を取得する。本実施の形態では、毎日５時に天気予報の情報を気象情報サーバ９０から取得するものとする。本実施の形態で取得する天気予報の情報は、一例として当日と翌日の降水確率である。

ステップ３０４では、取得した天気予報の情報とメモリ５０が記憶したＳＯＦＣ７０が作動を開始した時からの経過時間とが停止条件テーブルに記載の要件を充足するか否かを判定する。停止条件テーブルとは、太陽光発電装置による電力の供給が可能となることでＳＯＦＣ７０を停止できる時期の要件を記載した表である。図４は、本実施の形態に係る自家発電システムの停止条件テーブルの一例を示す図である。

本実施の形態に係るＳＯＦＣ７０は、一例として、ガスメータ１３２からリセット信号が発信されて作動を開始してから２６日間連続して作動した場合には、天気予報の内容いかんにかかわらず停止する。また、リセット信号が発信されてから所定の期間、例えば１９日が経過するまでは、天気予報の内容いかんにかかわらず、ＳＯＦＣ７０を停止しない。リセット信号が発信されてから１９日が経過した直後から所定の日数の間は取得した天気予報の降水確率が０％の場合にＳＯＦＣ７０を停止する。以後、リセット信号が発信されてから２６日が経過するまでの間を段階的に場合分けし、リセット信号が発信されてから２６日に近づくにつれて、高い降水確率でもＳＯＦＣ７０を停止させる。

図４では、リセット信号が発信されてから２０〜２２日では、当日と翌日の降水確率が０％の場合にＳＯＦＣ７０を停止する。また、リセット信号が発信されてから２３〜２４日では、当日と翌日の降水確率が３０％以下の場合にＳＯＦＣ７０を停止する。リセット信号が発信されてから２５日の場合には、当日の降水確率が翌日の降水確率よりも低い場合であればＳＯＦＣ７０を停止する。

ステップ３０４で肯定判定の場合には、ステップ３０６でＳＯＦＣ７０を停止する時期である停止時間か否かが判定される。最新の天気予報の情報を迅速に活かすために、天気予報の情報を取得し、取得した天気予報の情報が停止条件テーブルの要件を充足することが判明したら、早めにＳＯＦＣ７０の停止処理に移行した方がよい。本実施の形態では、一例として、天気予報の情報を取得してから１時間後をＳＯＦＣ７０の停止時間とする。ステップ３０６で肯定判定の場合は、ステップ３０８でＳＯＦＣ７０に停止の指示を送信する。

ステップ３０８でＳＯＦＣ７０に停止の指示を送信する場合には、住宅１０内のガス器具７８も使用できないように制御する。ガスメータ１３２は、ＳＯＦＣ７０以外にもガスを消費している器具があれば、住宅１０内でガスが消費され続けていると認識するからである。ガス器具７８を使用禁止にする時間は、ガスメータ１３２の仕様にもよるが、本実施の形態では１時間とする。

ステップ３１０では、ＳＯＦＣ７０が停止したか否かが判定される。ＳＯＦＣ７０が停止状態か否かは、一例として、燃料電池電流センサ１２４がＳＯＦＣ７０の発電に係る電流を検知せず、かつＳＯＦＣ７０の温度が低下傾向を示すことによって判定できる。また、燃料電池電流センサ１２４がＳＯＦＣ７０の発電に係る電流を検知せず、かつＳＯＦＣ７０が消費するガスが検知されない場合をＳＯＦＣ７０が停止状態にあると判定してもよい。

ステップ３１０で肯定判定の場合は、ステップ３１２でガスメータ１３２からリセット信号を受信したか否が判定され、肯定判定の場合はＳＯＦＣ７０の再起動を指示し、処理を終了する。なお、ＳＯＦＣ７０は、いったん冷間停止すると、リセット信号を受信したことを契機として作動を開始しても作動に適した温度に達するまで時間がかかる。一例として、ステップ３０８の停止の指示から発電が可能になるまで略２４時間ほどを要する。

なお、ステップ３０４で否定判定の場合は、手順をステップ３００まで戻し、次の天気予報情報取得の時間において取得した天気予報の情報が停止条件テーブルの要件を充足するか否かを判定する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、取得した天気予報の情報が停止条件テーブルの要件を充足するか否かを判定することにより、ＳＯＦＣ７０の停止時に太陽光発電装置１６による電力の補填が可能となる。

なお、図４に示した停止条件テーブルは一例であり、季節又は住宅１０が建てられている地域の気候によって変わり得る。例えば、晴天が少ない梅雨又は秋雨の時期には、ＳＯＦＣ７０を停止する条件を緩和することが考えられる。

一例として、梅雨又は秋雨の時期には、リセット信号が発信されてから２６日間連続して作動した場合には、図４の場合と同様に天気予報の内容いかんにかかわらずＳＯＦＣ７０を停止する。また、リセット信号が発信されてから１９日が経過するまでは、図４の場合と同様にＳＯＦＣ７０を停止しないが、リセット信号が発信されてから２０〜２２日では、当日と翌日の降水確率が１０％以下の場合にＳＯＦＣ７０を停止する。また、リセット信号が発信されてから２３〜２４日では、当日と翌日の降水確率が４０％以下の場合にＳＯＦＣ７０を停止する。リセット信号が発信されてから２５日の場合には、当日の降水確率が翌日の降水確率よりも低い場合であればＳＯＦＣ７０を停止するようにしてもよい。

冬季に雨や雪が多くなるわが国の日本海側の地域において、本実施の形態に係る自家発電システムを運用する場合も、上述の梅雨又は秋雨の時期の場合のように、ＳＯＦＣ７０を停止する条件を緩和することが考えられる。

逆に、乾燥した晴天が続く夏季の南日本では、ＳＯＦＣ７０を停止する条件をより厳格に設定してもよい。

一例として、夏季の南日本では、リセット信号が発信されてから２６日間連続して作動した場合には、図４の場合と同様に天気予報の内容いかんにかかわらずＳＯＦＣ７０を停止する。また、リセット信号が発信されてから１９日が経過するまでは、図４の場合と同様にＳＯＦＣ７０を停止しないが、リセット信号が発信されてから２０〜２２日では、当日と翌日の降水確率が０％の場合にＳＯＦＣ７０を停止する。また、リセット信号が発信されてから２３〜２４日では、当日と翌日の降水確率が２０％以下の場合にＳＯＦＣ７０を停止する。リセット信号が発信されてから２５日の場合には、当日の降水確率が翌日の降水確率よりも低い場合であればＳＯＦＣ７０を停止するようにしてもよい。

さらには天気予報の情報を当日及び翌日において時間帯別に取得可能であれば、太陽光発電が可能となる昼間の時間帯の降水確率が停止条件テーブルに記載の要件を充足するか否かを判定してもよい。かかる判定により、夕方から夜間にかけて驟雨に見舞われやすい夏季においても、ＳＯＦＣ７０を停止する時期を決定することが可能となる。

また、本実施の形態では、図３のステップ３０６、３０７に示したように、ＳＯＦＣ７０を停止する時間になったら、ユーザには予告なしにＳＯＦＣ７０を停止することが前提となっている。本実施の形態では、ＳＯＦＣ７０が停止しても、太陽光発電装置１６による電力の補填がなされるので、ＳＯＦＣ７０を停止することを事前にユーザに通知する必要性に乏しいからである。また、技術的な知見に明るいとは言えない一般ユーザは、住宅１０に必要な電力が自家発電で十分に賄われていのであれば、その電力がＳＯＦＣ７０又は太陽光発電装置のいずれによるものであろうと頓着しないと考えられるからである。

しかしながら、本実施の形態では、ユーザにＳＯＦＣ７０を停止する予定日を通知するようにしてもよい。図５は、本実施の形態に係る自家発電システムの停止予定日通知の処理の一例を示すフローチャートである。

ステップ５００では、気象情報サーバ９０から天気予報の情報を取得する時間か否かが判定され、肯定判定の場合は、ステップ５０２で一週間の天気予報である週間天気予報の情報をネットワーク８０を介して取得する。

ステップ５０４では、取得した週間天気予報の情報から停止条件テーブルの要件を充足する日を抽出し、ステップ５０６では、抽出した日をＳＯＦＣ７０を停止する予定日としてＨＥＭＳ３０の表示部４６に表示して処理を終了する。

図５に示した処理は、ユーザにＳＯＦＣ７０を停止する予定日を通知するためのものであって、図３に示したＳＯＦＣ７０の停止及び再起動の処理とは独立別個のものである。本実施の形態では、図５の処理が行われても、ＳＯＦＣ７０の停止及び再起動の処理は図３に示した手順で行われる。

１０ 住宅
１６ 太陽光発電装置
３６ ＣＰＵ
３８ ＲＯＭ
４０ ＲＡＭ
４６ 表示部
４８ 操作部
５０ メモリ
７０ ＳＯＦＣ
８０ ネットワーク
９０ 気象情報サーバ

Claims (3)

1. 可燃性のガスを燃料として用いることにより発電する燃料電池と、
   太陽光を受けて発電する太陽光発電手段と、
   外部から天気予報の情報を取得する通信手段と、
   前記燃料電池が作動を開始した時からの経過時間及び前記燃料電池が作動を開始した時からの経過時間と前記天気予報の情報とに基づいて前記燃料電池を停止する時期を決定するための条件を規定した停止条件テーブルを記憶する記憶手段と、
   前記通信手段が取得した天気予報の情報と前記記憶手段が記憶した前記燃料電池が作動を開始した時からの経過時間と前記停止条件テーブルとに基づいて、前記太陽光発電手段による発電が可能な時期を前記燃料電池の作動を停止する時期として決定し、該決定した時期に前記燃料電池の作動を停止する制御手段と、
   を備えた自家発電システム。
2. 前記停止条件テーブルは、前記燃料電池が作動を開始した時からの経過時間が所定の期間以内の場合は、前記天気予報の情報にかかわらず前記燃料電池の作動を継続することを規定し、前記所定の期間を経過した後は、前記燃料電池が作動を開始した時からの経過時間と前記天気予報の情報とに基づいて前記燃料電池を停止する時期を決定するための条件を規定した請求項１に記載の自家発電システム。
3. 前記天気予報の情報は、当日及び翌日の降水確率である請求項１又は２に記載の自家発電システム。
   

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