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技術 電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステム

出願人 有限会社小金
発明者 小林均木村忠
出願日 2018年2月8日 (1年9ヶ月経過) 出願番号 2018-021450
公開日 2019年8月22日 (2ヶ月経過) 公開番号 2019-140780
状態 特許登録済
技術分野 交流の給配電 特殊原動機 ガスタービン、高圧・高速燃焼室 熱ガス機関 予備電源装置
主要キーワード 燃料発電機 電力喪失 通電機器 着色域 熱源供給装置 ベース電源 通信機材 生命維持装置
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図面 (7)

課題

コジェネレーションを備える施設において、商用電力停止時時に、電力供給量需要量変化、様々な災害レベルに応じた適切な電力供給手段を提供する。

解決手段

商用電力と、商用電力に電気的に並列に接続されるコジェネ独立発電装置及びびフライホイールと、停電時にフライホイールの回転で発電し、各施設、機器電力線を介して電力供給する第二発電機と、停電時に最大電力発電量と各施設、機器の電力使用総量を比較し機器の種類を特定した情報に基づき最大電力発電量の範囲内で電力供給先を選択、決定し、実行するための制御信号を生成するコントローラと、各種機器情報、信号をコントローラにPL原理送受信するコンセントと、コントローラとコンセントの間に介在しコントローラの制御信号に基づきコンセントから各施設、機器への通電オンオフを実施するスイッチとからなる電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステムとした。

概要

背景

概要

コジェネレーションを備える施設において、商用電力停止時時に、電力供給量需要量変化、様々な災害レベルに応じた適切な電力供給手段を提供する。商用電力と、商用電力に電気的に並列に接続されるコジェネ独立発電装置及びびフライホイールと、停電時にフライホイールの回転で発電し、各施設、機器電力線を介して電力供給する第二発電機と、停電時に最大電力発電量と各施設、機器の電力使用総量を比較し機器の種類を特定した情報に基づき最大電力発電量の範囲内で電力供給先を選択、決定し、実行するための制御信号を生成するコントローラと、各種機器情報、信号をコントローラにPL原理送受信するコンセントと、コントローラとコンセントの間に介在しコントローラの制御信号に基づきコンセントから各施設、機器への通電オンオフを実施するスイッチとからなる電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステムとした。

目的

本発明は、コジェネレーションを備える施設において、商用電力停止時時に、電力供給量、需要量変化、様々な災害レベルに応じた適切な電力供給手段、すなわち、有限電力を必要なところに必要なだけ給し、電力を効率的に配分する、電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステムを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

停電しておらず所望の電力を得られる状態の通常時に、各施設機器電力需要変動に追随して電力線を介して前記各施設、機器に電力供給する商用電力と、前記商用電力に電気的に並列に接続される第一発電機と前記第一発電機を駆動するエンジンとからなり、前記商用電力の供給を受けることなく独立して発電するとともに、前記エンジン駆動に伴う排エネルギーが利用されるコジェネ独立発電装置と、前記商用電力に電気的に並列に接続され、前記通常時に前記商用電力及び/又は前記コジェネ独立発電装置の電力で回転保持して電力を回転エネルギーとして蓄積するフライホイールと、前記商用電力の停電時に前記フライホイールの回転で発電し、前記各施設、機器に前記電力線を介して電力供給する第二発電機と、前記第一、第二発電機と各施設、機器を繋ぐ電力線に介在し、前記商用電源の停電時に、最大電力発電量と前記各施設、機器の電力使用総量を比較し、前記最大電力発電量の範囲内で電力供給先を選択、決定し、実行するための制御信号を生成するコントローラと、前記各施設、機器が電気的に接続され、それらに電気を供給するとともに、前記電力使用総量の基礎になる前記各施設、機器消費電力量の実測値、及び前記各施設、機器から得られる単位時間当たりの電気消費量変化のアナログ値である消費電力波形を、デジタル信号に変換し、前記電力線を介して前記コントローラに電力線通信原理で送信するコンセントと、前記コントローラと前記コンセントの間に介在し、前記コントローラの前記制御信号に基づき、前記コンセントから前記各施設、機器への通電オンオフを実施するスイッチと、からなり、前記コントローラが、前記電力供給先を選択、決定するに際して、前記コンセントから得られた、前記消費電力波形のデジタル信号と予め前記コントローラに格納されている消費電力波形のデジタル情報と比較して、前記各施設、機器を特定し、さらに、前記各施設、機器の特定結果及び前記コントローラに予め格納されている判断基準に基づき、前記最大電力発電量の範囲内で電力供給先を選択、決定することを特徴とする電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステム

請求項2

前記判断基準が、設備機器間で予め決められた優先順位であることを特徴とする請求項1に記載の電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステム。

請求項3

前記各施設、機器消費電力量の実測値が、前記コンセントが電力消費パターンを実測して機器特定することによって非常時の電力優先経路を動的に決定することを特徴とする請求項1に記載の電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステム。

請求項4

前記コンセントごとに、前記コントローラの前記制御信号と別系統強制オン信号を生成し、前記スイッチを通電状態に制御する強制ONスイッチを備えることを特徴とする請求項1に記載の電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステム。

請求項5

前記フライホイールの回転軸が、重力方向と一致していることを特徴とする請求項1に記載の電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステム。

技術分野

0001

本発明はコジェネレーションを備える施設において、商用電力停止時に、電力供給量需要量変化、様々な災害レベルに応じた適切な電力供給手段、すなわち、有限電力を必要なところに必要なだけ給し、電力を効率的に配分する、電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステムに関する。
より詳しくは、特に、大量電力消費施設、例えば病院などの大型施設に特に効果的で、商用電力と、商用電力から独立して駆動する施設専用などの独自発電装置とを施設の通常時電源とし、かつ、商用電力を電力需要変動追随電源とし、独立発電装置ベース電源であって排熱等のエネルギーも利用する独立発電装置(コジェネ独立発電装置)を備える施設において、自然災害等で、商用電力の供給が停止した場合のベース電源の有効利用、すなわち商用電源停止時に供給可能な電力を無駄なくかつ優先順に従って配分するよう管理する、電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステムに関する。

0002

非特許文献1に、「コージェネレーション、またはコジェネレーション(cogeneration)、英語では“combined heat and power”ともいわれる。これは、内燃機関外燃機関等の排熱を利用して動力温熱冷熱を取り出し、総合エネルギー効率を高める、新しいエネルギー供給システムのひとつである。
略してコージェネ、コジェネとも呼ばれる。一般的には熱併給発電(ねつへいきゅうはつでん)または熱電併給(ねつでんへいきゅう)と訳されている。訳語から廃熱発電を用いるものと考えられがちだが、給湯など発電以外のものもある。
日本においては、京都議定書の発効に伴い、製造サイドとして電機メーカーガス会社が、需要者サイドとしてイメージ向上の効果も狙うスーパーマーケットや大エネルギー消費者である大規模工場などで関心が高まっている。」とあるように、昨今、エネルギーの有効活用にも関心が向けられているようになってきた。

0003

コジェネレーションは、エネルギーの有効活用の他、地震などの自然災害、人災などにより、商用電力の供給が停止した場合に、バックアップ電源としても期待できる。

0004

みずほ銀行産業調査部2013年5月24日発行、みずほ産業調査 Vol.42「[Focos]コジェネの導入推進とコジェネ機器の更なる海外展開の可能性」(非特許文献2)によると、ドイツでのコジェネによる火力発電全体に対する発電割合は29.1%に達している。これは、コジェネが電力だけでなく熱源供給装置として活用されていることが背景にある。東京における2月の平均気温は5.7℃(1981−2010年)であるが、ドイツは2月の平均気温が2.0℃(ベルリン気象庁調べ)であり、暖房需要が高いことがわかる。このように、コジェネ導入によってエネルギー効率を向上させるためには、発電に伴って発生する熱エネルギーをいかに有効活用するかが重要であることが分かる。

0005

我が国の施設において、熱エネルギーを常時必要とする業態として、ホテルならびに病院が挙げられる。病院においては、入浴、室内保温煮沸殺菌などにおいて常時熱源が必要であり、重油ボイラ等が設置されている。

0006

また病院は、病室における24時間空調、薬剤等の保管に必要な冷凍冷蔵設備電子カルテシステムなど、電力を大量に消費する医療機器医療用装置が必要であり、従来から暖房、ボイラ等でまかなう熱利用設備の有効活用方法として、コジェネレーションの導入が検討されつつある。特に、バックアップ電源としては魅力的である。大規模病院は、停電が人命危機直結するため、停電に備えてバックアップ電源(燃料発電機蓄電池)を備えている。

0007

従来のバックアップ電源は、重油等を備蓄した非常用ディーゼルエンジンを使用する例が挙げられる。このディーゼルエンジンは普段は使用せず、停電のときに稼働させるため、費用対効果の低い設備である。

0008

通常の病院施設においては、維持費の観点から、バックアップ電源で供給できる電力は、該当病院施設が診療機能を100%発揮するために通常消費している電力と比較して非常に少ない。このディーゼルエンジン発電による電力供給用途は、手術時停電における手術室電力の確保や、通路での非常照明、固定内線電話などの小電力消費用途に限定される。

0009

災害発生時において、災害発生地域近隣の病院施設は、被災者疾病者の受け入れを積極的に担う立場にあり、通常診療時よりも多くの医療行為が求められる。災害の種類が、大規模交通事故のように、電力、水道などのライフラインダメージを伴わない災害であれば、病院内の全機能が稼働可能である。しかし、地震による、建物損壊事故火災の発生に伴う大量の傷病者の発生と、停電を伴うライフライン途絶が同時に発生するような場合には、通常の受電電力は停止しているため、小電力容量非常用発電機のみでは病院機能を100%発揮させることができない。

0010

特に、救急医療では、生命維持最優先され、呼吸維持、心拍回復止血優先される。このため重症の疾病者では出血骨折の箇所を迅速に特定する必要があり、侵襲性が低く疾病者の断層映像を迅速に得られるCT(Computed Tomography:コンピュータ断層撮影)装置の利用が強く望まれる。CT装置はその瞬間出力電力は100kWにも達し、電源負荷として50kW程度が必要となる大電力装置である。また炎症など幅広い傷病者の診断目的で用いられるMRI(Magnetic Resonance Imaging:核磁気共鳴画像法)装置も、電源負荷として30kW程度が必要である。災害拠点となる病院施設は、災害時にこのような大電力装置がフル稼働する可能性を考慮する必要がある。このような問題を解決する手段として、コジェネの導入により、常時使用する電力の相当の割合をコジェネ発電で賄い、不足分について受電電力で賄う電力運用方式が考えられる。

0011

昼間だけ稼働する工場施設や、排熱が活用できない施設用途においては、コジェネレーション装置経済的効果は限定的で、必要電力全体に対するコジェネ発電の割合を高くすることが経済的に困難である。一方、病院施設のように常時熱源利用がある施設では、コジェネ発電の割合を相当に高くすることが可能である。このように、コジェネ装置を従来のバックアップ電源に置き換えることができれば、経費の削減にも繋がり、かつ災害拠点としての病院機能を果たすための発電能力、熱エネルギー供給能力を備えることができる。

0012

他方で、バックアップ電源は、重油、灯油ガス等を燃料とするため、その供給も大規模災害では継続的なライフラインが停止することが想定される。加えて、受電電力およびライフラインの回復まで、生命維持を最優先しながら、可能な限りの救命活動を行うための制約された電力利用をせざるを得ない状況に陥ることも十分想定される。

0013

コジェネ装置は採算性を高めるために、必要な熱供給量に合わせて発電量が従属的に決定され、かつ、過剰な電力設備は施設維持費の負担になるため、コジェネの発電容量病院全体が必要とする電力負荷を超えることは基本的にない。そのような状況下、燃料が尽きるまで無停電で、かつ安定的に、コジェネレーション電力を必要なところに、必要なだけ供給し、できるだけ有限な電力を効率的に使用することが望まれる。しかしながら、病院設備において、停電時のバックアップ電源、ましてや停電時のコジェネレーションの効率的な電力配分については、全く検討されていない。

0014

他方、病院のような大規模施設では、その停電の間にも、必要な施設、優先順位の高い施設が刻々と変化し、電力負荷も変動する。従来のバックアップ電源では、無停電での切り替えが実現したとしても、過剰な電流が機器にながれ、機器が故障することがある。さらに、長時間停電が継続すれば、燃料の枯渇等で電力供給量も減少する。加えて、供給先の機器の切り替えも必要になる。

0015

他方、特許文献1では、通信回線を用いて電力系統の安定化を行うシステムが提案されている。しかし、そのシステムは、突然の停電に対し、数秒から数十秒以上の周期で変動する負荷平準化を目的としており、突然の停電に対する医療機器への供給電力電圧の安定化、及び安定供給に対応することは想定されていない。

0016

その一例として、近年のCT装置やMRI装置などの医療機器では高い割合でコンピュータ制御装置または入出力コンソールを兼ねているが、これらの据え置き型装置および電子カルテ端末等においてはすべてのコンピュータ装置部に無停電電源装置が搭載されていないのが現状であり、特に大電力を必要とする箇所での無停電化は進んでいない。

0017

特開2006−353079号公報

先行技術

0018

https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B3%E3%82%B8%E3%82%A7%E3%83%8D%E3%83%AC%E3%83%BC%E3%82%B7%E3%83%A7%E3%83%B3
https://www.mizuhobank.co.jp/corporate/bizinfo/industry/sangyou/pdf/1042_02_01.pdf

発明が解決しようとする課題

0019

そこで、本発明は、コジェネレーションを備える施設において、商用電力停止時時に、電力供給量、需要量変化、様々な災害レベルに応じた適切な電力供給手段、すなわち、有限な電力を必要なところに必要なだけ給し、電力を効率的に配分する、電力需要変動順応型無停電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。

課題を解決するための手段

0020

本発明は、上記課題を解決するために、
(1)
停電しておらず所望の電力を得られる状態の通常時に、各施設、機器の電力需要変動に追随して電力線を介して前記各施設、機器に電力供給する商用電力と、
前記商用電力に電気的に並列に接続される第一発電機と前記第一発電機を駆動するエンジンとからなり、前記商用電力の供給を受けることなく独立して発電するとともに、前記エンジン駆動に伴う排エネルギーが利用されるコジェネ独立発電装置と、
前記商用電力に電気的に並列に接続され、前記通常時に前記商用電力及び/又は前記コジェネ独立発電装置の電力で回転保持して電力を回転エネルギーとして蓄積するフライホイールと、
前記商用電力の停電時に前記フライホイールの回転で発電し、前記各施設、機器に前記電力線を介して電力供給する第二発電機と、
前記第一、第二発電機と各施設、機器を繋ぐ電力線に介在し、前記商用電源の停電時に、最大電力発電量と前記各施設、機器の電力使用総量を比較し、前記最大電力発電量の範囲内で電力供給先を選択、決定し、実行するための制御信号を生成するコントローラと、
前記各施設、機器が電気的に接続され、それらに電気を供給するとともに、前記電力使用総量の基礎になる前記各施設、機器消費電力量の実測値、及び前記各施設、機器から得られる単位時間当たりの電気消費量変化のアナログ値である消費電力波形を、デジタル信号に変換し、前記電力線を介して前記コントローラに電力線通信(Power Line Communication,PLC)原理で送信するコンセントと、
前記コントローラと前記コンセントの間に介在し、前記コントローラの前記制御信号に基づき、前記コンセントから前記各施設、機器への通電オンオフを実施するスイッチと、
からなり、
前記コントローラが、
前記電力供給先を選択、決定するに際して、前記コンセントから得られた、前記消費電力波形のデジタル信号と予め前記コントローラに格納されている消費電力波形のデジタル情報と比較して、前記各施設、機器を特定し、
さらに、
前記各施設、機器の特定結果及び前記コントローラに予め格納されている判断基準に基づき、前記最大電力発電量の範囲内で電力供給先を選択、決定することを特徴とする
電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステム。
(2)
前記判断基準が、設備、機器間で予め決められた優先順位であることを特徴とする(1)に記載の電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステム。
(3)
前記各施設、機器消費電力量の実測値が、前記コンセントが電力消費パターンを実測して機器特定することによって非常時の電力優先経路を動的に決定することを特徴とする(1)に記載の電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステム。
(4)
前記コンセントごとに、前記コントローラの前記制御信号と別系統強制オン信号を生成し、前記スイッチを通電状態に制御する強制ONスイッチを備えることを特徴とする(1)に記載の電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステム。
(5)
前記フライホイールの回転軸が、重力方向と一致していることを特徴とする(1)に記載の電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステム。
の構成とした。

発明の効果

0021

本発明は、上記構成であるので、コジェネレーションを備える施設において、商用電力停止時に、電力供給量、需要量変化、様々な災害レベルに応じた適切な電力供給手段、電気消費量変動に追随でき、有限な電力を必要なところに必要なだけ給し、電力を効率的に配分する、電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステムを提供できる。
さらに詳しくは、主に以下の4点が挙げられる。
すなわち、(1)自然災害等で、商用電力の供給が予告なしに停止した場合、通電状態にある機器のうち、通電状態を維持しなければならない機器を選択し、かつ不要な機器を安全に電源遮断するための時間(数秒間から10秒間程度)を持たせる、瞬間的に大電力を出力することができる。
(2)コジェネレーションシステムの発電電力能力最大値付近で、かつ、最大値を決して超過しない状態で常に負荷を保つような、災害復旧活動や生命維持活動に必要な用途の機器に優先して電力を配分することができる。
(3)電力の配分方法が、従来技術で見られていた建物ごとのON/OFF基本動作とする方法から、本発明のコンセントを採用することで、全居室での電力消費を伴う活動を可能とし、さらに、生命維持活動の重要度に応じて接続される機器ごとに電力配分が可能になる。
(4)接続された機器について、その使用電力パターン(単位時間当たりの消費電力波形)に基づいてその機器を特定することができることから、その機器が部屋や建物を移動した際も、その機器の種類が認識されることで、適切な利用通電制御、機器の利用切り替えがスタッフによる特別な作業を必要とすることなく行える。
以上のような、電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステムを提供することができる。すなわち、商用電力から独立したコジェネ独立発電装置、フライホイールの回転による第二発電機による発電電力の有効利用、すなわち優先使用を管理することができる。さらには、縦置き型フライホイール発電であれば、装置メンテナンスを大きく低減させることが可能な、電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステムを提供できる。

図面の簡単な説明

0022

本発明である電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステムの全体構成模式図である。
図1の構成において、通常時の電力供給状態の模式図である。
図1の構成において、商用電力停電時の稼働状態の模式図である。
図1の構成において、商用電力、コジェネ独立発電装置も停止したときの稼働状態の模式図である。
スイッチ、コンセント、機器との配線データ送受信を説明する模式図である。
通常時運転図1)から、電源が変動し、さらにだんだんと供給電気総量が減っていくときに、消費電力総量を追随させている状況を示している。

0023

以下、添付図面に基づき本発明について詳細に説明する。なお、本発明は下記実施例に限定されるものではない。

0024

図1−5に示すように、本発明である電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステム1は、商用電力2と、コジェネ独立発電装置3と、フライホイール4と、第二発電機5と、コントローラ6と、スイッチ8と、コンセント9とからなり、それらが、電力線10を介して接続され、電力を送受電し、各種信号送受信する。

0025

商用電力2は、停電しておらず所望の電力を得られる状態の通常時に、各施設7、機器の電力需要変動に追随して電力線10を介して各施設7、機器に電力供給する。

0026

ここで、本発明の適用に適した施設としては、コジェネ独立発電装置3の排熱3cを有効に利用できる、給湯設備、ボイラを稼働させる、病院、ホテル、各種工場などの大規模施設が例示できる。機器としては、図1に示す病院であれば、手術室7a、検査ルーム7b、事務室7c等の各施設7等において、備えつけられ、移動し得る、例えば、照明生命維持装置レントゲン、CTなどの検査装置電話ネットなどの通信機材等などが例示できる。

0027

コジェネ独立発電装置3は、商用電力2に電気的に並列に接続される第一発電機3bと第一発電機3bを駆動するエンジン3aとからなり、商用電力2の供給を受けることなく独立して発電するとともに、エンジン3aの駆動に伴う排熱3cなどの排エネルギーが施設等で利用される。コジェネ独立発電装置3で発電された電力は、商用電力2に混合器10aを経由して混合出力される。

0028

フライホイール4は、商用電力2に電気的に並列に接続され、通常時に商用電力2及び/又はコジェネ独立発電装置3の電力で回転保持して電力を回転エネルギーとして蓄積する。フライホイール4の回転軸4aは、重力方向と一致している、縦置き型であることが望ましい。フライホイールの回転軸が、重力方向と直交する横置き型のフライホイールでは、重量物であるフライホイールを保持するベアリングの定期的なメンテナンスが必要である。他方、縦置き型のフライホイール4にすることで、ベアリングメンテナンスがほぼ不要になる。

0029

第二発電機5は、商用電力2の停電時にフライホイール4の回転軸4aと瞬時に接続し、フライホイール4の回転で発電し、各施設、機器に電力線10を介して電力を供給する。コジェネ独立発電装置3第二発電機で発電された電力は、商用電力2に混合器10bを経由して混合出力される。

0030

コントローラ6は、図5にも示すように、第一、第二発電機3b、5と各施設7、機器を繋ぐ電力線10に介在し、商用電源の停電時に、最大電力発電量(例えば、コジェネ独立発電装置3及び/又はフライホイール4による第二発電機5の発電総量)と各施設7、機器の電力使用総量を比較し、機器の種類を特定した情報に基づき最大電力発電量の範囲内で電力供給先を選択、決定し、実行するための制御信号を生成する。

0031

コントローラ6による電力供給先の選択、決定および実行に際しては、後述のように、コンセント9からの機器情報入手、その解析、機器の特定、スイッチ8の制御によって行われる。詳しくは、図5を参照して後述する。

0032

また、コントローラ6は、コンセント9単位毎に、コントローラ6の制御信号6aと別系統の強制オン信号6bを生成し、スイッチ8を制御する。これにより、消費電力総量等を考慮しない、別の優先順位、プログラム等にもとづく別系統の通電制御が可能になる。

0033

コンセント9は、各施設、機器が電気的に接続され、それらに電気を供給するとともに、電力使用総量の基礎になる各施設、機器消費電力量の実測値、及び各施設、機器から得られる単位時間当たりの電気消費量変化のアナログ値である消費電力波形7fを、内蔵する回路9aでデジタル信号9bに変換し、電力線10を介してコントローラ6に電力線通信(PLC)原理で送信する。このコンセント9の処理は、継続的に行われ、機器7dの脱着も常時観察している。単位時間当たりの電気消費量変化のサンプリングは、その機器の特徴を使用電力パターンとして取得する必要があるため、一例として、10kHz程度の高い周波数で実施される。これにより、機器の移動使用の自由度が増す。

0034

また、コンセント9は、各施設、機器消費電力量の実測値を内蔵する電力メータ9cで測定し、測定された実測値はデジタル信号に変換され、インターネット形式でコントローラ6に送られる。各コンセント9が、機器等の消費電力を個別に実測するので、機器の移動の自由度が増す。

0035

スイッチ8は、コントローラ6とコンセント9の間に介在し、コントローラ6の制御信号6aに基づき、コンセント6から各施設、機器への通電のオンオフを実施する。

0036

このようにして構成される、電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステム1では、コントローラ6が、電力供給先を選択、決定するに際して、先ず、コンセント9から得られた、消費電力波形のデジタル信号9bと予めコントローラ6に格納されている消費電力波形のデジタル情報と比較、解析して、各施設、機器を特定する。続いて、コントローラ6は、各施設、機器の特定結果及び予めコントローラ6に格納されている判断基準に基づき、最大電力発電量の範囲内で電力供給先を選択、決定する。

0037

判断基準としては、設備、機器間で予め決められた、施設における機能維持の必要性、重要性の観点から順位付けされた優先順位データ、およびピーク電力消費量などがある。ピーク電力消費量を基準とする理由は、最大電力発電量内で全機器を運転できるなどを判断するためである。

0038

本発明による電気供給について説明する。図2に示すように、通常時の稼働状態では、商用電源2及びコジェネ独立発電装置3から電力線10を介して、各施設7へ、さらにコンセント9から機器に発電電気が供給(白抜き矢印)される。また、フライホイール4へも発電電力が供給され、電力を回転エネルギーへ変換して保持し、緊急時にフライホイール4の回転エネルギーを第二発電機5により電気に変換する。フライホイール4であれば、瞬間的な負荷変動吸収能力が高いため、従来の蓄電池のような、サージ電流による機器の破損を抑止できる利点がある。

0039

特に、近年の施設では情報インフラとしてLocal Area Network(LAN)ケーブルが敷設されていることが多く、停電と復電に伴って発生するサージ電流に起因すると考えられるスイッチ破損現象が確認されているため、サージ電流の抑止は情報化社会においてより重要であると考えられる。

0040

図3は、商用電力2が停止した場合では、継続してコジェネ独立発電装置3が発電し、さらに商用電力2の停止と同時にフライホイール4の回転軸4aと連結された第二発電機5が瞬時に負荷出力を発生させ、回転(右矢印)で、商用電力2の発電量相当を発電し、補い、コジェネ独立発電装置3の発電電力とともに、各施設7、機器に電力供給する。これにより、商用電源2から供給されていたときと同じ電気量を賄うことができる。商用電力2の発電量を、フライホイール4による第二発電機が補えないときは、スイッチ8をオフ(×印)し、コンセント9から施設、機器への供給を止める(黒塗りコンセント9)。

0041

図4は、商用電力2と同じくして、或いは後に、コジェネ独立発電装置3も停止した場合を表している。図2の状況で、さらにコジェネ独立発電装置3の発電量も減少することから、各施設7では、図2に加えて、コントローラ6が、スイッチ8をオフ(×印)して、コンセント9から施設、機器への電力供給を停止(黒塗りコンセント9)し、消費電気総量を、発電総量以下に抑制している。

0042

コントローラ6による電力供給先を選択、決定し、実行する方法について、詳しく説明する。
図5に示すように、コンセント9の回路9aは、機器7dから単位時間当たりの電気消費量変化のアナログ値(消費電力波形7f)を取得し、デジタル信号9bに変換し、電力線10を介してコントローラ6にPLC原理で送信する。

0043

コントローラ6では、予めコントローラ6に格納されている機器毎の消費電力波形7fに相当するデジタル情報と比較して、コンセント9から送られてきたデジタル信号9bに接続されている機器7dをどのような機器であるか特定する。そして、予めコントローラ6に格納されている判断基準に基づき、通電するか、否か判断する。

0044

従来技術に基づく既存の電力モニタリング装置では、電力のモニタ速度が秒単位であり、接続された機器の特徴を十分に把握できるだけの情報が得られていない。本発明では、サンプリング周波数を10kHz程度に高めることで、接続機器の特徴を示す消費電力波形のデジタル情報を取得することができる。

0045

さらに、測定された消費電力波形のデジタル情報を、情報専用ケーブルで送信せず、電力線自体を用いて送信する方式により、災害時におけるネットワークハブ電力喪失などに伴う情報送信能力喪失を防止することができる。

0046

消費電力波形のデジタル情報を周波数分布などに変換したものなどである電力消費パターンは、例えACアダプタが電力部の入り口であったとしても、ノイズ発生周期や電力消費パターンには大きな個体差があることが予備実験で明らかになっており、稼働時の電力消費パターンの違いを含め、十分な精度で識別可能である。

0047

さらに、電力消費パターンを取得できることで、起動直後にのみ高い電力消費パターンを示すような誘導性負荷を示す機器について、電力測定を伴いながら起動することで、よりサージの少ない建物内における個別機器単位での電力起動制御が可能になり、医療機器の健全性を維持することができる。

0048

電力測定を伴いながら起動することで、医療機器の健全性が維持できる理由を以下説明する。身近にある誘導性負荷を示す機器として、冷蔵庫冷凍庫コンプレッサーが挙げられる。例えば、冷凍機のコンプレッサーなどは、電源が投入された直後に、定常運転状態の5−10倍の電力消費することがある。したがって、建物全体が通電状態の時よりも、停電後に一斉に電源投入されると、電源への電力消費負荷が高くなることが知られている。

0049

また、停電後に、電力復旧が複数の建物にわたって行われる場合に、1棟ずつ電源を投入し、定常状態になるのを待ち、次の棟の電源を投入という作業手順を取ると、電源が投入される順序が遅い建物に対しては、数分以上の電力喪失が生じることになる。

0050

ここで、一つの建物の中であっても、各コンセント単位での電源ON/OFF制御ができれば、わずかずつでも起動時間をずらしながら冷凍機等を起動でき、特定の建物での復電遅延縮めることが可能になる。その結果、サージ電流を抑制して、医療機器の故障を予防することができ、機器を健全に維持することができることとなる。

0051

判断基準としては、予め設定された優先順位データに従い、最大電力発電量の範囲内で電力供給先を選択、決定する。その決定は、コントローラ6が、スイッチ8の制御信号6aとして、回路9aに送る。回路9aは、制御信号6a(通電のオンオフ指令)に基づき、スイッチ8のオンオフを制御するオンオフ信号8aを生成し、スイッチ8に送る。

0052

スイッチ8は、オンオフ信号8aに基づき、通電、遮断位置に位置し、プラグ7eを介して接続する機器7dへの通電を制御する。スイッチ8の制御としては、機器7dへ通電がされていれば通電継続または遮断、通電されていなければ通電又は遮断継続となる。

0053

電力使用量の総量を算出する。コンセント6に接続する機器7dの消費電力量は、コンセント6に内蔵される電力メータ9cで実測され、回路9aへ送られ、消費電力データ9dとして、コントローラ6に出力される。

0054

そして、
1)停電時、現在時点の発電量<電力使用総量のとき
機器での消費電力量が、最大電力発電量の範囲内になるよう、優先順位データに基づき、通電機器への通電をスイッチ8のオフにより間引く。
2)停電時、現在時点の発電量>電力使用総量のとき
現状維持又はバックアップ電源として長時間使用するため、不要不急の機器はオフし、非常用電力および外部通信用電力のみ供給するような設定に基づき制御してもよい。

0055

また、コンセント9ごとに、コントローラ6の制御信号6aと別系統の強制オン信号11aを生成し、スイッチ8を通電状態に制御する強制ONスイッチ11を備える。消費電力総量等を考慮しない、別の優先順位、プログラム等にもとづく別系統の通電制御が可能になる。

0056

強制ONスイッチ11を使用する場合としては、例えば、非常時に初めて持ち込まれた装置で、コントローラ6が機器を識別できないが、非常時運用に不可欠であると現場で判断された機器を稼働させる場合や、通常であれば優先順位が低い装置であるが、特段事情により稼働させなければならないと現場で判断された機器を稼働させる場合などがある。強制ONスイッチ11を操作する手段としては、人の手による押圧が例示できる。

0057

図6に示すように、商用電力2、コジェネ独立発電装置3が停止していくにしたがって、電力の総発電量総供給量)が変化(減少)していくなかで、刻々と変化する、使用機材、使用場所、その他外的環境変化などを考慮して、電気供給、需要量のバランスを取りながら、無停電で、発電量を有効かつ、各ステージで優先順位の高い給電を実現する。

0058

具体的には、図6を参照して説明する。図6には、左から、図2の状況、図3の状況、図4の状況、さらに右側にフライホイール4が停止した場合のコジェネ独立発電装置3だけの発電時の発電量、電力消費量等を示した。縦軸が発電量、横軸が通常から停電、停電が継続する時間である。

0059

電力発電量は、いずれの状況でも着色領域にて示した。また、実測した電気の全消費量は破線で示した。他方、通常であれば見込まれる電気の消費電力量を点線で示した。

0060

図2の通常時の設備、機器の稼働状況においては、商用電力2とコジェネ独立発電装置33とで要求に応じた発電量を賄っている。そして、電気の全消費量は、最大電力発電量の範囲内(着色域内)にある。

実施例

0061

ホイール4による発電のみになる。その結果、発電総量が通常時の見込み全消費量を下回ることになる。そこで、コントロール6、コンセント9が協同して、予め設定された判断基準、現状に基づき、通電機器を選択、決定し、通電を制御して、消費電力を最大発電量以下になるよう、間引運転をする。同様に、コジェネ独立発電装置3だけの発電であっても、消費電力を最大発電量以下になるよう、間引運転をして、全、全装置の電力停止を防止するとともに、有限の発電電力を有効活用する。

0062

1電力需要変動順応型無停電コジェネレーションシステム
2商用電力
3コジェネ独立発電装置
3aエンジン
3b 第一発電機
3c排熱
4フライホイール
4a回転軸
5 第二発電機
6コントローラ
6a制御信号
7 各施設
7a手術室
7b検査ルーム
7c事務所
7d機器
7eプラグ
7f消費電力波形
8 スイッチ
8aオンオフ信号
9コンセント
9a回路
9bデジタル信号
9c電力メータ
9d消費電力データ
10電力線
10a混合器
10b 混合器
11強制ONスイッチ
11a強制オン信号

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