WO2012153415A1 - 独立型電源装置 - Google Patents

Abstract

　電力源の出力を増大させることなく、余剰電力を蓄積してより長期の連続無日照保証に対応できる独立型電源装置を提供する。　本発明の独立型電源装置は、電気二重層キャパシタを複数含む少なくとも２個の蓄電ユニット（３１、３２）で構成された蓄電部（３ａ）を備え、これら蓄電ユニット（３１、３２）の定格電圧は等しく、かつ蓄電ユニット（３１、３２）間に優先順位が定められている。電圧監視部（９）は、前記少なくとも２個の蓄電ユニット（３１、３２）のうち優先順位の高い第１の蓄電ユニット（３１）を、スイッチ部（８）を介して直流電流源（１）に接続し、第１の蓄電ユニット（３１）に直流電流源（１）から電力が供給されて電圧があらかじめ設定された第１の電圧になったとき、スイッチ部（８）の接続状態を切り換え、次に優先順位の高い第２の蓄電ユニット（３２）を直流電流源（１）に接続して、余剰電力を第２蓄電ユニット（３２）に蓄積する。

Description

独立型電源装置

　本発明は、電気二重層キャパシタで構成された蓄電部を含む独立型電源装置に関する。

　太陽光や風力などの自然エネルギーを用いた発電源の出力電力は安定性に欠ける。例えば、太陽電池の発電電力は照度によって変化し、夜間には全く発電することができない。また風力発電機の発電電力も風速によって大きく変化する。このように、自然エネルギーを用いた発電装置の出力は安定性に欠けるので、一般的に発電源の出力電力を一旦、二次電池や電気二重層キャパシタ等を用いた蓄電部に蓄積した後、負荷に対して安定供給される。

　しかし、蓄電要素としての二次電池はサイクル寿命が５００～１０００回程度と短く、動作温度範囲も狭い。また、重金属等が含まれていることが多く、廃棄時の環境負荷も大きい。そこで蓄電要素として、サイクル寿命が１０万回～１００万回と長く、動作温度範囲も広い電気二重層キャパシタ（Electric Double Layer Capacitor）が、二次電池に代わる蓄電素子として注目されている。

　上述の電気二重層キャパシタを用いた蓄電部を含む独立型電源装置については、既に多くの提案がなされている（例えば、特許文献１参照）。ここで、独立型電源装置とは、系統電源と接続せず、太陽光や風力などの自然エネルギーのみによる発電電力を電力源とし、その電力を蓄電部に蓄積した後、負荷に供給する電源装置のことである。

　以下、独立型電源装置の一般的な設計手順について説明する。なお、以下では太陽電池を発電源とし、蓄電要素として電気二重層キャパシタ（以降、単に「キャパシタ」と記す）を用いた電源装置について述べるが、発電源は太陽電池に限定されるものではない。

　一般的に、太陽電池を利用した発電システムを設計する際には、太陽電池の設置方位と傾斜角が重要である。方位については北半球では真南、南半球では真北とし、傾斜角については、非降雪地域の場合、太陽電池が設置される地域（以下、「設置地域」と記す）の通年にわたる毎月の日射量データを基に、最小日射量月の日射量が最も大きくなるような最適傾斜角を選定する。

　最適傾斜角が選定されると、設置地域において最適傾斜角に設定された太陽電池の単純日射時間が求められる。この単純日射時間［ｈ］は、設置地域における太陽電池の最適傾斜角における斜面日射量［ｋＷｈ/ｍ²］を、通年にわたる晴天日南中時の平均直射日光のエネルギー密度［ｋＷ/ｍ²］で除して換算された時間［ｈ］である。

　しかし実際には、すべての日射量が晴天南中時の理想的な日射量ではないので、単純日射時間を太陽光発電に有効な日射量時間に換算するための、有効日射時間換算係数を単純日射時間［ｈ］に乗じた「有効日射時間」［ｈ］が設計に用いられる。なお、降雪地域では、冬季間の降雪（太陽電池への積雪）による日射障害を出来る限り小さく抑えるために太陽電池の設置角度が設定され、非降雪地域と同様にして有効日射時間［ｈ］が定められる。

　太陽電池を用いた独立型電源装置は、天候不順等によって発電源からの電力が供給されなくても、蓄電装置に蓄積されている電力を出力することにより、電力を中断あるいは停止させることなく負荷に供給しなければならない。

　したがって、独立型電源装置の設計にあたっては、まず、独立型電源装置が設置される地域における太陽電池の最適傾斜角と有効日射時間が設計値として設定される。次に蓄電装置に蓄積すべき電力量を求めるために、悪天候が続いて太陽電池の発電が期待できなくても負荷の稼働を保証すべき日数（以後、連続無日照保証日数と記す）が設計値として定められる。この連続無日照保証日数は、蓄電装置が満充電の状態から日照の無い環境で使用できる日数であるとも言える。

　図１に示すように、有効日射時間がｍ時間、連続無日照保証日数がｎ日と設定されると、１日の有効日射時間ｍ時間で、有効日射時間が確保される１日と連続無日照保証日数ｎ日間の合計（ｎ＋１）日間で必要される電力量が、電源装置に蓄積されなければならない。

　そこで、電源装置の回路損失等による消費電力と負荷の消費電力が求められ、さらに、それらの消費電力値に基づいて、有効日射時間が確保される１日と連続無日照保証日数であるｎ日間の合計（ｎ＋１）日間に必要とされる電力量が求められる。そして、その電力量を蓄積可能な蓄電部のキャパシタの静電容量と、１日の有効日射時間で蓄電部のキャパシタを定格電圧まで充電（満充電）し得る電力を供給できる太陽電池が選定される。

　しかし、独立型電源装置の負荷が、例えば、放射線連続モニタリングシステムや、地滑りなどの土砂災害や地震を検知・予測するための屋外センサ、津波警報システムなどの場合には、天候によって稼働しなかったり、データの欠損が生じたりすることは許されない。しかも、このような屋外センサは山間部などの日照条件の悪い地域に設置されることも多い。したがって、連続無日照保証日数以上の悪天候が続いて、太陽電池による発電が行われない場合も起こり得る。

　そこで、独立型電源装置と負荷が設置される地域の気象統計データから、１年間で最も日照時間の短い晴天日１日の有効日射時間を設計上の有効日射時間として設定したり、１年間で曇天や雨天が最も長く続くと予想される日数を連続無日照保証日数として設定して、負荷の消費電力量と電源の制御回路での回路損失を加えた総消費電力量に基づいて、蓄電部のキャパシタの静電容量や太陽電池を選定して独立型電源装置を構成することもできる。

　しかし、有効日射時間を短く設定すると、必要な電力量を確保するために発電量の大きな太陽電池が必要となり、また、連続無日照保証日数をむやみに長く設定しすぎると蓄電部に大容量のキャパシタが必要となり、満充電に到らず、負荷に必要な電力が供給できないことも起こり得るので、実用的ではない。

　また、上記のような独立型電源装置において、１日の発電可能な日照時間（以後、発電可能日照時間と記す）が、設定された有効日射時間より長かったり、連続無日照保証日数の期間中に発電可能日照時間が存在したりすると、有効日射時間と連続無日照保証日数から計算された電力量を蓄積し得る静電容量を持つ蓄電部のキャパシタに蓄積できない電力が発生する。以後、この電力を「余剰電力」という。

　図２に、蓄電部の蓄電要素としてキャパシタを用いた一般的な独立型電源装置の構成を示す。独立型電源装置は直流電流源１、過充電保護回路２ａ、蓄電部３および電力変換器４で構成され、電力変換器４の出力側に負荷５が接続されている。なおダイオードＤ１は逆流防止用ダイオードである。図中、白抜きの矢印は制御信号の流れを示し、黒塗りの矢印は電圧信号の流れを示す。以後の図においても同様である。

　従来、蓄電部３の蓄電効率は、上述したように蓄電部３に入力される電力と蓄電部３から出力される電力の関係だけから議論されてきたが、太陽光発電・蓄電システムでは、太陽電池が発電する電力と蓄電部３から出力される電力の関係から、太陽光発電・蓄電システムの蓄電効率を評価する必要がある。

　すなわち、一般的に太陽光発電・蓄電システムを設計する場合、有効日射時間をｍ時間、連続無日照保証日数をｎ日とし、さらに蓄電部３の回路損失等による消費電力と負荷の消費電力を求める。そしてそれらの消費電力の値に基づいて、有効日射時間が確保される１日と連続無日照保証日数であるｎ日間の合計（ｎ＋１）日間に必要とされる電力量を求め、その電力量を蓄積可能な蓄電部３のキャパシタの静電容量と、１日の有効日射時間で蓄電部３のキャパシタを定格電圧まで充電し得る電力を供給できる太陽電池が選定される。

　しかし、例えば１日目に有効日射時間ｍ時間が確保され、連続無日照保証日数ｎ日分の電力が蓄電部３に蓄積され、蓄電部３のキャパシタが満充電になった場合、さらに２日目に有効日射時間ｍ時間が確保されたとしても、蓄電部３のキャパシタに蓄積された電力量は既に蓄積可能電力量に達しており、２日目に発電された電力量の大部分は蓄積することができず、余剰電力として無駄に廃棄されてしまう。この余剰電力を蓄積することができれば、太陽光発電・蓄電システム全体としての蓄電効率は向上し、より長い連続無日照保証日数を確保することができる。

　図２の蓄電部３は、キャパシタ単体（１個）または複数個のキャパシタから構成されている。キャパシタは過充電になると劣化が進み、最悪の場合には破壊に到るので、特許文献２に記載されているように、過充電保護回路２ａはキャパシタを用いた独立型電源装置には欠かせない要素である。

　また、キャパシタの端子間電圧は蓄積電荷量に比例して変化するので、蓄電部３の出力電圧は充電あるいは放電によって大きく変化する。図２中の電力変換器４はＤＣ－ＤＣコンバータやＤＣ－ＡＣインバータで構成され、大きく変化する蓄電部３の出力電圧を、安定した一定電圧の直流電力あるいは交流電力に変換して負荷５に供給する。

　なお、蓄電要素としてキャパシタを用いた独立型電源装置には、キャパシタの過充電防止のために、シャント・レギュレータ等を用いて、定電圧充電を行う方法もあるが、キャパシタを定電圧充電すると定電流充電の場合に比べて充電効率が極めて悪くなるという問題がある。したがって、ここでは直流電流源から定電流充電する場合を想定している。また、太陽電池は定電流源とみなしてよい特性を持っているので、直流電流源は太陽電池を想定しているが、他の直流電流源であっても良い。

　図２に示すように、直流電流源１から供給される電力は、過充電保護回路２ａを介して蓄電部３に蓄積される。過充電保護回路２ａはスイッチ部２１、比較回路２２、基準電圧生成回路２３および蓄電部電圧検出回路２４で構成されている。

　スイッチ部２１は、ブレイク接点動作をするブレイク接点スイッチ（normally closed switch）で構成され、蓄電部３が満充電となった場合に、比較回路２２からの制御信号により、直流電流源１から蓄電部３への電力供給を遮断する。

　一般的に、過充電保護回路２ａ内の比較回路２２、基準電圧生成回路２３および蓄電部電圧検出回路２４の電源は、蓄電部３から供給されるように構成される場合が多い。この場合、完全放電状態にある蓄電部３への充電開始時には、過充電保護回路２ａ内の比較回路２２、基準電圧生成回路２３および蓄電部電圧検出回路２４は稼働状態にはない。

　そして蓄電部３への充電が進み、蓄電部３の出力電圧（以降、「蓄電部電圧」と記す）Ｖｔが上昇して、過充電保護回路２ａ内の比較回路２２、基準電圧生成回路２３および蓄電部電圧検出回路２４が稼働状態になると、蓄電部電圧検出回路２４により蓄電部電圧Ｖｔが常時検出される。

　蓄電部電圧Ｖｔが基準電圧生成回路２３の出力電圧（一般的には蓄電部３の定格電圧値に設定されている）に達すると、比較回路２２からスイッチ部２１のスイッチをＯＦＦにする（すなわち開く）信号が送出されて、蓄電部３への充電が停止し、蓄電部３が過充電とならないように制御される。

　また、蓄電部電圧Ｖｔはキャパシタの蓄積電荷量によって変化し、一定ではないので、蓄電部３の出力電力はＤＣ－ＤＣコンバータやＤＣ－ＡＣインバータで構成された電力変換器４により、負荷に適した安定した直流あるいは交流の電圧に変換され、負荷に供給される。

　しかし、上述のように過充電保護回路２ａ内の比較回路２２、基準電圧生成回路２３および蓄電部電圧検出回路２４の電源を蓄電部３から供給すると、負荷５への電力供給のために蓄積された蓄電部３の電力が消費される。そこで、図３の過充電保護回路２ｂに示すように、比較回路２２と基準電圧生成回路２３および蓄電部電圧検出回路２４の駆動電力を直流電流源１から供給するようにしてもよい。

　蓄電部３のキャパシタが完全放電状態に近く、蓄電部電圧Ｖｔが直流電流源１の開放電圧より極めて低い場合には、比較回路２２と基準電圧生成回路２３および蓄電部電圧検出回路２４には直流電流源１から電力が供給され、一旦、稼働状態になる。しかし、直流電流源１がスイッチ部２１のブレイク接点スイッチと逆流防止用ダイオードＤ１を介して蓄電部３に接続されると、直流電流源１の電圧が蓄電部電圧Ｖｔ近くまで急激に低下するので、比較回路２２、基準電圧生成回路２３および蓄電部電圧検出回路２４の稼働が停止する。

　充電が進行し、蓄電部電圧Ｖｔの上昇に伴って直流電流源１の電圧も上昇するが、スイッチ部２１の導通時の順方向電圧降下分とダイオードＤ１の順方向電圧降下分の和をＶｆとすると、スイッチ部２１の導通時には直流電流源１の電圧は蓄電部電圧Ｖｔより常にＶｆだけ高い電圧なる。

　比較回路２２、基準電圧生成回路２３および蓄電部電圧検出回路２４が再び稼働するのは、蓄電部電圧Ｖｔが比較回路２２、基準電圧生成回路２３および蓄電部電圧検出回路２４の稼働電圧に達した時である。換言すれば、比較回路２２、基準電圧生成回路２３および蓄電部電圧検出回路２４の稼働電圧が、蓄電部電圧Ｖｔの満充電電圧より高い場合には、過充電保護回路２ｂの機能は果たせない。

　図４に示した独立型電源装置は、蓄電部３が、満充電電圧が２．３～２．７［Ｖ］程度の低い電圧のキャパシタ単体あるいは複数個のキャパシタを並列接続して構成されている場合でも、過充電保護回路２ｃが稼働するように構成した例である。

　図４では、過充電保護回路２ｃ内のスイッチ部２１のブレイク接点スイッチをＰ型ＭＯＳＦＥＴ（以降、単に「ＦＥＴ」と略す）２５によって構成し、またＦＥＴ２５のドレインＤに逆流防止用ダイオードＤ１を接続している。

　また図２の比較回路２２、基準電圧生成回路２３および蓄電部電圧検出回路２４の機能を、最低動作電圧Ｖｒｓｔが極めて低く（０．３～０．６［Ｖ］程度）、消費電力も極めて少ないリセットＩＣ（電圧検出素子）２６を用いて実現し、このリセットＩＣ２６の電源端子ＶＤには、蓄電部３ではなく直流電流源１から電力を供給している。

　リセットＩＣ２６は、一般的にマイクロプロセッサ等を用いた機器において、図５（ａ）のように電源投入時の電圧の不安定な期間Ｔｄに、マイクロプロセッサ等に一定期間、リセット信号を与えることにより、マイクロプロセッサ等の暴走を防止するものである。また図５（ｂ）のように電源切断時や通常時に電源電圧を常時監視し、電源電圧が一定電圧Ｖｒ以下になれば、一定期間のリセット信号を出力し、マイクロプロセッサ等の動作を停止させるのに用いられる。

　図４の構成例では、オープンコレクタ出力あるいはオープンドレイン出力のＬリセット型リセットＩＣ２６とＦＥＴ２５によって過充電保護回路２ｃが構成されている。なお、リセットＩＣ２６には、Ｌリセット型とＨリセット型があるが、特に区別する必要がない場合には、以後、単にリセットＩＣと記す。

　オープンコレクタ出力あるいはオープンドレイン出力のＬリセット型リセットＩＣ２６は、入力端子ＶＩへの入力電圧Ｖｉが、リセットＩＣ内で設定された検出電圧Ｖｒ以下の場合には低レベルの信号（すなわち接地電位の信号。以後、「Ｌ信号」と記す）を出力端子ＶＯから出力し、入力電圧Ｖｉが検出電圧Ｖｒ以上になると開放状態になる。

　したがって、図４の回路において、リセットＩＣ２６の遅延容量接続端子ＣｄにコンデンサＣ１が接続されていない場合には、図６（ａ）のように、入力端子ＶＩへの入力電圧Ｖｉが検出電圧Ｖｒ以下になると、接地電位の信号が出力端子ＶＯから出力され、入力電圧Ｖｉが検出電圧Ｖｒ以上になると、リセットＩＣ２６の出力端子ＶＯがプルアップ抵抗Ｒ３を介して直流電流源１が接続されているので、出力端子ＶＯには直流電流源１の電圧と等しい高レベルの信号（以後、「Ｈ信号」と記す）が出力される。

　なお、図４の回路において、リセットＩＣ２６の遅延容量接続端子ＣｄにコンデンサＣ１を接続することにより、図６（ｂ）に示すように、リセットＩＣ２６の入力端子ＶＩへの入力電圧Ｖｉが検出電圧Ｖｒ以上になってから高レベルの出力信号（Ｈ信号）が出力されるまでの遅延時間Ｔｄを設定することができる。

　図４の回路では、蓄電部電圧Ｖｔが抵抗Ｒ１、Ｒ２によって分圧され、抵抗Ｒ２にかかる電圧ＶｉがリセットＩＣ２６の入力端子ＶＩに印加され、電圧ＶｉがリセットＩＣ２６の検出電圧Ｖｒ以上か否かを検出することができる。したがって、抵抗Ｒ２にかかる電圧ＶｉがリセットＩＣ２６の検出電圧Ｖｒに等しくなる時に、蓄電部電圧Ｖｔがあらかじめ設定された第６の電圧になるように抵抗Ｒ１、Ｒ２の分圧比を設定しておけば、蓄電部電圧Ｖｔが第６の電圧以上か否かを検出することができる。なお、第６の電圧は蓄電部３のキャパシタが過充電にならないような電圧（例えば定格電圧）に設定される。

　以下では、図４の過充電保護回路２ｃを用いて、蓄電部３のキャパシタが完全放電状態から充電される過程について説明する。なお、ダイオードＤ１は、直流電流源１の電圧が蓄電部電圧Ｖｔを下回った場合に、蓄電部３に蓄積された電力がＦＥＴ２５の寄生ダイオードを通じて逆流することを防止するためのものである。

　まず、直流電流源１が過充電保護回路２ｃに接続され、過充電保護回路２ｃに直流電流源１の電圧が印加されると同時に、リセットＩＣ２６の電源端子ＶＤにも直流電流源１の電圧が印加される。リセットＩＣ２６の電源端子ＶＤにリセットＩＣ２６の最低動作電圧以上の電圧が印加されると、リセットＩＣ２６は稼働状態となる。この時点では完全放電状態にある蓄電部３にはまだ電荷が蓄積されておらず、蓄電部電圧Ｖｔはあらかじめ設定された第６の電圧より低いので、リセットＩＣ２６の出力端子ＶＯからは低レベルの信号（Ｌ信号）、すなわち接地電位が出力される。

　したがって、ＦＥＴ２５のゲートＧ－ソースＳ間に電位差が生じ、その結果、ＦＥＴ２５のソースＳ－ドレインＤ間が導通状態となるので、直流電流源１と蓄電部３が逆流防止用ダイオードＤ１を介して接続され、蓄電部３への充電が開始される。

　なお、スイッチ部であるＦＥＴ２５の順方向電圧降下分とダイオードＤ１の順方向電圧降下分の和をＶｆとすると、ＦＥＴ２５が導通し、完全放電状態にある蓄電部３のキャパシタと接続された直後の直流電流源１の出力電圧Ｖｓは、図７に示すように、蓄電部電圧（すなわち接地電位）ＶｔよりＶｆだけ高い電圧にまで低下するが、リセットＩＣ２６の最低動作電圧Ｖｒｓｔは極めて低く（０．３～０．６［Ｖ］程度）、その電圧はＶｆより低いので、リセットＩＣ２６の動作が停止することはない。

　また、完全放電状態にある蓄電部３のキャパシタと接続された直後の直流電流源１の出力電圧Ｖｓは、上記のように一旦急激に低下するが、図７のように、充電に伴う蓄電部電圧Ｖｔの上昇に伴って、蓄電部電圧ＶｔにＶｆを加えた電圧を保ちながら徐々に上昇する。

　蓄電部３への充電が進み、蓄電部電圧Ｖｔがあらかじめ設定された第６の電圧に達すると、リセットＩＣ２６の出力端子ＶＯからは高レベルの信号（Ｈ信号）、すなわち直流電流源１の電圧Ｖｓに等しい電圧が出力される。なお、先にも述べたように、第６の電圧は蓄電部３のキャパシタが過充電にならないような電圧（例えば定格電圧）に設定されている。また、リセットＩＣ２６の出力の遅延時間Ｔｄはゼロでよい。

　リセットＩＣ２６の出力端子ＶＯからＦＥＴ２５のゲートＧに高レベルの信号（Ｈ信号）が出力されると、ＦＥＴ２５のゲートＧ－ソースＳ間の電位差が無くなるので、ＦＥＴ２５のソースＳ－ドレインＤ間が非導通状態となり、蓄電部３への充電が停止する。

　上記の動作によって蓄電部電圧Ｖｔは常に第６の電圧以下に保たれ、過充電が防止される。また、リセットＩＣ２６を用いた図４の過充電保護回路２ｃは、一般的にリセットＩＣ２６の消費電力が極めて小さく、しかもリセットＩＣ２６の電源が直流電流源１から供給されている。従って、直流電流源１が太陽電池の場合には、充電の不可能な夜間において、リセットＩＣ２６は停止状態となるので、過充電保護回路２ｃの電力消費を極めて小さく抑えることができる。

　蓄電部３に使用されるキャパシタには、種類によって端子間電圧に上限電圧（定格電圧）のみの制限が設けられているものと、上限電圧と下限電圧のいずれにも制限が設けられているものがある。

　蓄電要素として、リチウムイオンキャパシタなどのように、上限電圧と下限電圧に制限が設けられている非対称型キャパシタを用いた場合には、図８に示すように、過充電保護回路２ａ～２ｃの代わりに、上限電圧監視用リセットＩＣ６ａと下限電圧監視用リセットＩＣ６ｂ、およびスイッチ部２１によって電圧監視部７を構成しても良い。蓄電部電圧Ｖｔが上限電圧まで上昇した場合には、スイッチ部２１のスイッチを非導通にして充電を停止し、蓄電部電圧Ｖｔが下限電圧付近まで低下した場合には、スイッチ部２１のスイッチを導通にして充電を行うように制御する。以下では、上限電圧（上限定格電圧）のみに制限が設けられているキャパシタを蓄電部３に用いた場合についてのみ説明する。

　ところで、図４の独立型電源装置では、分圧抵抗Ｒ１とＲ２を介して蓄電部３に蓄積された電力が漏洩するという問題がある。この問題を解決するために、図９に示す構成の過充電保護回路２ｄを用いることもできる。逆流防止ダイオードＤ１は、ＦＥＴ２５のドレインと蓄電部３の間に接続されていれば、過充電保護回路内にあっても外にあっても良い。

　図４の過充電保護回路２ｃと図９の過充電保護回路２ｄの本質的な違いは、リセットＩＣ２６の入力端子ＶＩが、図４では分圧抵抗Ｒ１とＲ２を介して蓄電部３と接続されているのに対して、図９では分圧抵抗Ｒ１とＲ２を介して直流電流源１と接続されている点である。以後、過充電保護回路２ａ～２ｄを総称して「過充電保護回路２」ともいう。

　以下では、図９の独立型電源装置の蓄電部３のキャパシタが、完全放電状態から充電される過程について、電圧の時間的経過を表した図１０を参照して説明する。

　リセットＩＣ２６は図４と同様、Ｌリセット型のリセットＩＣであるが、図９では、直流電流源１の電圧Ｖｓが、後述するあらかじめ設定された第７の電圧以上になったことを検出した後、図６（ｂ）のように、あらかじめ設定された遅延時間Ｔｄ後に高レベルの信号（Ｈ信号）を、また、第７の電圧未満になったことを検出すると、低レベルの信号（Ｌ信号）を出力するように、分圧抵抗Ｒ１とＲ２と遅延容量端子Ｃｄに接続されるキャパシタＣ１の値が設定されている。なお、第７の電圧は蓄電部３のキャパシタが過充電にならないような電圧であるが、その設定の詳細については後述する。

　まず、時刻ｔａにおいて直流電流源１と過充電保護回路２ｄが接続され、直流電流源１の電圧が印加されると、リセットＩＣ２６の電源端子ＶＤにも直流電流源１の電圧Ｖｓが印加される。リセットＩＣ２６の電源端子ＶＤに、リセットＩＣの最低動作電圧Ｖｒｓｔ以上の電圧が印加され、リセットＩＣ２６が稼働状態となると同時に、リセットＩＣ２６の入力端子ＶＩにも、直流電流源１の電圧Ｖｓを分圧抵抗Ｒ１、Ｒ２によって分圧した電圧が印加される。

　この際、直流電流源１の開放電圧はキャパシタの定格電圧より高く設定されているので、入力端子ＶＩに印加される抵抗Ｒ２の両端電圧は、直流電流源１の電圧Ｖｓが第７の電圧以上であると判断される電圧が印加される。しかし、時刻ｔａからあらかじめ設定された遅延時間Ｔｄ後まで、リセットＩＣ２６の出力端子ＶＯからは低レベルの信号（Ｌ信号）、すなわち接地電位の信号がＦＥＴ２５のゲートに出力され続ける。

　なお、遅延時間Ｔｄは、ＦＥＴ２５のソースＳ－ドレインＤ間が非導通状態から導通状態に変化するまでのスイッチング時間Ｔｓ１あるいはＦＥＴ２５のソースＳ－ドレインＤ間が導通状態から非導通状態に変化するまでのスイッチング時間Ｔｓ２よりも少し長い時間に設定されている。

　リセットＩＣ２６の出力端子ＶＯからＬ信号、すなわち接地電位の信号がＦＥＴ２５のゲートに出力されると、ＦＥＴ２５のゲートＧ－ソースＳ間に電圧差が生じ、その結果、時刻（ｔａ＋Ｔｓ１）においてＦＥＴ２５のソースＳ－ドレインＤ間が導通状態になり、直流電流源１と蓄電部３が逆流防止用ダイオードＤ１を介して接続され、蓄電部３のキャパシタへの充電が開始される。

　ここで、ＦＥＴ２５の導通時の順方向電圧降下分とダイオードＤ１の順方向電圧降下分を加えた電圧をＶｆとすると、ＦＥＴ２５が非導通状態から導通状態に変化し、直流電流源１と蓄電部３がダイオードＤ１を介して接続された直後に、直流電流源１の電圧は、完全放電状態にある蓄電部３の電圧（すなわち接地電位）にＶｆを加えた電圧まで低下する（図１０のＡ点）。

　したがって、この時点では、分圧抵抗Ｒ１、Ｒ２を介してリセットＩＣ２６の入力端子ＶＩに、直流電流源１の電圧が第７の電圧以下であると判断される電圧が印加されるので、リセットＩＣ２６の出力電圧は、図１０の一点鎖線で示したようなＨ信号（図１０中のＢ）とはならず、遅延時間Ｔｄ後もリセットＩＣ２６の出力端子ＶＯからは低レベルの信号（Ｌ信号）、すなわち接地電位の信号がＦＥＴ２５のゲートに出力され続けるので、蓄電部３のキャパシタへの充電が継続される。

　また、蓄電部３のキャパシタへの充電が継続されている間、直流電流源１の電圧は、蓄電部電圧ＶｔにＶｆを加えた電圧を保持しながら徐々に上昇する。なお、図１０では、説明のためにＦＥＴ２５のスイッチング時間Ｔｓ１とＴｓ２を大きく記載してあるが、実際には無視できるほど小さい。

　蓄電部３の充電の進行に伴って蓄電部電圧Ｖｔが上昇するので、直流電流源１の電圧Ｖｓも蓄電部電圧ＶｔにＶｆを加えた電圧を保持しながら上昇し、図１０中の時刻ｔｂにおいて、直流電流源１の電圧Ｖｓが第７の電圧に達すると、その時点から遅延時間Ｔｄ後に、リセットＩＣ２６の出力端子ＶＯからＨ信号、すなわち直流電流源１の電圧Ｖｓと等しい電圧が、ＦＥＴ２５のゲートＧに出力される。

　したがって、ＦＥＴ２５のゲートＧ－ソースＳ間の電位差が無くなるので、時刻（ｔｂ＋Ｔｄ＋Ｔｓ２）において、ＦＥＴ２５のソースＳ－ドレインＤ間が非導通状態となり、蓄電部３への充電が停止する。

　なお、第７の電圧は、蓄電部３のキャパシタが過充電にならないような電圧、すなわち、蓄電部３への充電が進行し、それに伴って上昇する直流電流源１の電圧Ｖｓが第７の電圧に達した時刻ｔｂから（Ｔｄ＋Ｔｓ２）後に、蓄電部電圧Ｖｔが定格電圧を超えないような電圧値に設定される。

　しかし、実際にはスイッチング時間Ｔｓ１もＴｓ２も無視できるほど小さいので、遅延時間Ｔｄも小さく設定することができ、時間（Ｔｄ＋Ｔｓ２）の間における蓄電部３のキャパシタの電圧上昇も小さいので、第７の電圧を蓄電部３のキャパシタの定格電圧にＶｆを加えた電圧に設定してもよい。

　したがって、以下では第７の電圧を、蓄電部３のキャパシタの定格電圧に、スイッチ部であるＦＥＴ２５の順方向電圧降下分とダイオードＤ１の順方向電圧降下分の和Ｖｆを加えた電圧として説明する。

　なお、図４の独立型電源装置と同様、図９の独立型電源装置も、完全放電状態にある蓄電部３のキャパシタと接続された直後の直流電流源１の出力電圧Ｖｓは、蓄電部電圧（すなわち接地電位）ＶｔにＶｆを加えた電圧だけ高い電圧まで低下するが、リセットＩＣ２６の最低動作電圧は極めて低く、その値はＶｆより低いので、直流電流源１が稼働状態である限り、リセットＩＣ２６の動作が停止することはない。

　上述のような一連の動作によって、蓄電部電圧Ｖｔは、常に過充電にならないような電圧以下に保たれる。また、先にも述べたように、リセットＩＣ２６の消費電力は一般的に極めて小さく、しかも図４と同様、図９に示した過充電保護回路２ｄにおいても、リセットＩＣ２６の電源は直流電流源１から供給されるので、直流電流源１が太陽電池の場合には、充電の不可能な夜間においてリセットＩＣ２６が自動的に停止状態となり、電源装置の電力消費を極めて小さく抑えることができる。

　次に、独立型電源装置の消費電力の計算方法とキャパシタの静電容量の選定方法について説明する。先にも述べたように、太陽光や風力などの自然エネルギーを用いた独立型電源装置の一般的な設計手順は、１日の有効日射時間をｍ時間、連続無日照保証日数をｎ日とすると、まず、過充電保護回路２における回路損失と負荷の消費電力を含めた消費電力を求め、その消費電力の値に基づいて、有効日射時間が確保される１日と連続無日照保証日数であるｎ日間の合計（ｎ＋１）日間に必要とされる電力量を求める。

　その電力量を蓄積可能な蓄電部３を構成するキャパシタの静電容量と、ｍ時間の有効日射時間で、蓄電部３のキャパシタを定格電圧まで充電することが可能な電圧と電流を供給できる太陽電池を選定する。

　連続無日照保証日数をｎ日、負荷を直流負荷とし、負荷の平均消費電流をＩａ［Ａ］、負荷への供給電圧をＶａ［Ｖ］、１日当たりの負荷の動作時間をｔ１［sec］とすると、有効日射時間が確保される晴天日１日と連続無日照保証日数であるｎ日間の合計（ｎ＋１）日間における負荷の消費電力量Ｕｃ０［Ｊ］は、
　　　　Ｕｃ０＝Ｉａ×Ｖａ×ｔ１×（ｎ＋１）　［Ｊ］
となる。

　しかし、蓄電部３に蓄積された電力は電力変換器４を介して負荷に供給されるので、電力変換器４の変換効率も考慮しなければならない。また、電池と異なり、キャパシタの端子間電圧は蓄積電荷量により変化する。したがって、電力変換器４への入力電圧である蓄電部電圧Ｖｔが変化するので、電力変換器４の変換効率も変化する。

　そこで、有効日射時間が確保される晴天日１日と連続無日照保証日数ｎ日の合計（ｎ＋１）日間における、電力変換器４の変換効率も考慮した負荷の消費電力量Ｕｃ１［Ｊ］を計算する際には、電力変換器４の許容入力電圧範囲内で最小の変換効率Ｅ（Ｅ＜１）を用いて計算することが安全である。したがって、電力変換器４の変換効率を考慮した（ｎ＋１）日間における負荷の消費電力量Ｕｃ１［Ｊ］は、
　Ｕｃ１＝Ｉａ×Ｖａ×ｔ１×（ｎ＋１）／Ｅ　［Ｊ］　・・・（１）
となる。

　また、有効日射時間が確保される晴天日１日と連続無日照保証日数ｎ日の合計（ｎ＋１）日間における過充電保護回路２での最大回路損失Ｕｃ２［Ｊ］は、過充電保護回路２の平均消費電流をＩｂ［Ａ］、蓄電部３の定格電圧（すなわち満充電電圧）をＶｃ［Ｖ］、１日あたりの過充電保護回路２の平均動作時間をｔ２［sec］とすると、
　Ｕｃ２＝Ｉｂ×Ｖｃ×ｔ２×（ｎ＋１）　［Ｊ］　・・・（２）
となる。

　したがって、有効日射時間が確保される晴天日１日と連続無日照保証日数ｎ日の合計（ｎ＋１）日間における、負荷５の消費電力量と過充電保護回路２での回路損失を加えた総消費電力量Ｕｗ［Ｊ］は
　Ｕｗ＝Ｕｃ１＋Ｕｃ２　　［Ｊ］　・・・（３）
となる。

　ここで、蓄電部３の定格電圧をＶｃ［Ｖ］、蓄電部３のキャパシタの静電容量をＣ［Ｆ］とすると、満充電状態の蓄電部３に蓄積されている電力量Ｕは
　Ｕ＝ＣＶｃ²／２　　［Ｊ］　・・・（４）
となる。

　（４）式で示される電力量が蓄電部３のキャパシタに蓄積され、電力変換器４を介して負荷５に電力が供給されるが、電力変換器４には許容入力電圧範囲があるので、蓄電部３のキャパシタに蓄積された電力量の全てを利用できるわけではない。

　そこで、電力変換器４の許容入力電圧範囲の上限値が蓄電部３の定格電圧Ｖｃ［Ｖ］より高く、下限値がＶｄ［Ｖ］であるとすると、蓄電部３に蓄積された電力量Ｕの内、利用可能な電力量ＵｐＯは、
　ＵｐＯ＝Ｃ（Ｖｃ²－Ｖｄ²）／２　［Ｊ］　・・・（５）
となる。

　さらに、（５）式で示される利用可能な電力量ＵｐＯは、（１）式の負荷の消費電力量Ｕｃ１より大きいか、等しくなければならないから、
　ＵｐＯ≧Ｕｃ１　・・・（６）
となる。

　したがって、（１）式と（５）式および（６）式より、蓄電部３のキャパシタに要求される静電容量Ｃ［Ｆ］は、
　　　　ＵｐＯ＝Ｃ（Ｖｃ²－Ｖｄ²）／２
　　　　　　　≧Ｕｃ１
　　　　　　　＝Ｉａ×Ｖａ×ｔ１×（ｎ＋１）／Ｅ ［Ｊ］
　　∴　Ｃ≧２Ｕｃ１／（Ｖｃ²－Ｖｄ²）
　　　　　＝２｛Ｉａ×Ｖａ×ｔ１×（ｎ＋１）｝
　　　　　　　／｛Ｅ（Ｖｃ²－Ｖｄ²）｝ ［Ｆ］　・・・（７）
となる。

　次に、選定された静電容量Ｃ［Ｆ］のキャパシタを、ｍ時間（＝ｍ×３６００［sec］）の有効日射時間で満充電にすることが可能な太陽電池の選定を行う。

　ｍ時間の有効日射時間で発電可能な太陽電池の発電電力量をＵｐ［Ｊ］とすると、蓄電部３のキャパシタが完全放電状態にある場合、ｍ時間の有効日射時間で蓄電部３のキャパシタを定格電圧（すなわち満充電電圧）まで充電するためには、発電電力量Ｕｐは、少なくとも（４）式で示される満充電状態の蓄電部３に蓄積される電力量Ｕと（２）式で示される（ｎ＋１）日間における過充電保護回路２の回路損失Ｕｃ２の和より大きいか、等しくなければならない。したがって
　Ｕｐ≧Ｕ＋Ｕｃ２
　　　＝ＣＶｃ²／２＋Ｉｂ×Ｖｃ×ｔ２×（ｎ＋１） ［Ｊ］　・・・（８）
を満たす太陽電池を選定しなければならない。

　また、ｍ時間の有効日射時間で蓄電部３のキャパシタを満充電にするために太陽電池に要求される出力電流Ｉｓ［Ａ］は、過充電保護回路２の平均消費電流をＩｂ［Ａ］とすると
　　　　Ｉｓ≧Ｉｂ＋Ｃ×Ｖｃ／（ｍ×３６００）  ［Ａ］

　しかし、一般的にリセットＩＣの消費電流は非常に小さく、過充電保護回路２の平均消費電流Ｉｂも小さいので、
　　　　Ｉｓ≧Ｃ×Ｖｃ／（ｍ×３６００）  ［Ａ］　・・・（９）
と考えて良い。したがって、（９）式を満たす電流値を出力できる太陽電池が必要となる。

　なお、実際には太陽電池の劣化等も配慮した安全率を考慮し、（９）式の右辺で示される電流値の１．５～２倍の電流を出力できる太陽電池を選定することが望ましい。

　さらに、太陽電池に要求される出力電圧Ｖｓ［Ｖ］は、図４中のＦＥＴ２５の導通時の順方向電圧降下分とダイオードＤ１の順方向電圧降下分の和をＶｆ［Ｖ］とすると、
　　　　　Ｖｓ≧（Ｖｃ＋Ｖｆ）　 ［Ｖ］　・・・（１０）
を満たさなければならない。

　したがって、太陽電池に要求される出力電力Ｗ［Ｗ］は
　　　　　Ｗ＝Ｖｓ×Ｉｓ≧（Ｖｃ＋Ｖｆ）×Ｃ×Ｖｃ
　　　　　　　　　　　　　　／（ｍ×３６００）［Ｗ］　・・・（１１）
となる。

　なお、一般的に太陽電池は、雨天時であっても晴天時の１０［％］程度の電力を発電するので、晴天日１日の有効日射時間ｍ時間における太陽電池の発電電力量をＵｐとすると、実際には、晴天日１日と連続無日照保証日数のｎ日間で発電される電力量Ｕｇは
　　　　　Ｕｇ＝Ｕｐ×（１＋０．１×ｎ）　［Ｊ］　・・・（１２）
となる。

　次に、図４の独立型電源装置の評価実験の結果について説明する。以下では、過充電保護回路２ｃを有する独立型電源装置の蓄電部３を、定格電圧（すなわち満充電電圧）Ｖｃが２．７［Ｖ］のキャパシタ１個で構成し、電力変換器４をＤＣ－ＤＣコンバータで構成した例について述べる。

　例えば、有効日射時間を３時間、連続無日照保証日数を５日とし、ＤＣ－ＤＣコンバータを含めた負荷５の平均消費電流Ｉａを０．２３７［ｍＡ］、ＤＣ－ＤＣコンバータの出力電圧、すなわち負荷への供給電圧Ｖａを３．３［Ｖ］、１日あたりの負荷の動作時間ｔ１を２４時間（すなわち、ｔ１＝２４×３６００［sec］）、過充電保護回路２ｃの動作時間ｔ２を１２時間（すなわち、ｔ２＝１２×３６００［sec］）、電力変換器４の許容入力電圧範囲を０．８～３．３［Ｖ］、電力変換器４の許容入力電圧範囲における最小変換効率６０％とすると、６日（＝晴天日１日＋連続無日照保証日数５日）間における負荷５の消費電力量Ｕｃ１は（１）式より
　　　　Ｕｃ１＝０．２３７×１０^-3×３．３×２４×３６００×（５＋１）
　　　　　　　　／０．６０
　　　　　　　≒６７５．７  ［Ｊ］
となる。

　したがって、蓄電部３のキャパシタの静電容量Ｃは（７）式より
　　　∴　Ｃ≧２×６７５．７／（２．７²－０．８²）
　　　　　　≒２０３．２ ［Ｆ］
となる。

　そこで、必要とされる静電容量値に近い、公称静電容量２００［Ｆ］のキャパシタを蓄電部３に用い、過充電保護回路２ｃの平均消費電流Ｉｂを１１．３［μＡ］とすると、Ｉｂは非常に小さいので、太陽電池に要求される出力電流Ｉｓは（９）式より
　　　　　Ｉｓ≧２００×２．７／（３×３６００）
　　　　　　　＝０．０５［Ａ］＝５０　［ｍＡ］
となる。

　また、太陽電池に要求される出力電圧Ｖｓは、図４中のＦＥＴ２５の導通時の最大の順方向電圧降下とダイオードＤ１の順方向電圧降下の和Ｖｆを１．１７［Ｖ］とすると、Ｖｃ＝２．７［Ｖ］であるので、（１０）式より
　　　　　Ｖｓ≧(Ｖｃ＋Ｖｆ)＝２．７＋１．１７＝３．８７　［Ｖ］
となる。さらに太陽電池に要求される出力電力Ｗは（１１）式より
　　　　　Ｗ＝Ｖｓ×Ｉｓ≧３．８７×０．０５
　　　　　　＝０．１９３５　［Ｗ］
　　　　　　＝１９３．５　［ｍＷ］
となる。

　そこで、上記の条件を満たす、開放電圧４．１５［Ｖ］、短絡電流９５［ｍＡ］、出力電力３９４［ｍＷ］の市販の太陽電池を選定し、図４に示した過充電保護回路２ｃと組み合わせて独立型電源装置を構成し、蓄電部３を満充電状態まで充電した後、上記のような平均消費電流と供給電圧を要するＤＣ－ＤＣコンバータを含めた負荷を接続して暗室に放置し、蓄電部電圧ＶｔおよびＤＣ－ＤＣコンバータの出力電圧Ｖａの時間経過を測定した。その結果を図１１に示す。

　図１１から、蓄電部電圧Ｖｔは、想定した連続無日照保証日数５日間を超え、約５日１２時間の間、ＤＣ－ＤＣコンバータの許容入力電圧範囲内の電圧を維持しており、５日間の連続無日照保証日数を満たしていることが分かる。なお、ＤＣ－ＤＣコンバータは、蓄電部電圧Ｖｔが許容入力電圧範囲の下限電圧以下になっても稼働しており、約６日６時間連続稼働している。

　また、上記の独立型電源装置の蓄電部電圧Ｖｔが０［Ｖ］の状態、すなわち蓄電部３のキャパシタが完全放電状態において、上記の平均消費電流と供給電圧を必要とするＤＣ－ＤＣコンバータと負荷を接続して屋外に設置し、蓄電部電圧ＶｔとＤＣ－ＤＣコンバータの出力電圧Ｖａおよび照度を１週間測定した。その測定結果を図１２に示す。

　図１２に示すように、１週間の間に曇りや雨などの天候不順があったが、夜間に消費された電力は翌日に補充電されて、蓄電部電圧Ｖｔは２．５～２．７［Ｖ］の範囲に維持され、電力変換器（ＤＣ－ＤＣコンバータ）４も設定された３．３［Ｖ］の安定した電圧Ｖａを出力しており、負荷への安定した電力供給が確認できた。

　図１２の第１日目の蓄電部電圧ＶｔとＤＣ－ＤＣコンバータの出力電圧Ｖａおよび照度の時間経過を、拡大して表示した図を図１３に示す。図１３から、過充電保護回路２ｃの作用により、蓄電部電圧Ｖｔはキャパシタが過充電に陥らないように、定格電圧の２．７［Ｖ］以下に制御されていることがわかる。

特許第３５５９８０３号公報 特開平６－３４３２２５号公報

　上述したように従来の独立型電源装置においては、設置地域における有効日射時間と連続無日照保証日数、および負荷５の消費電力量と過充電保護回路２での回路損失を加えた総消費電力量に基づいて、蓄電部３のキャパシタの静電容量や太陽電池が選定された。

　したがって、図１４（ａ）に示すように、１日の発電可能な日照時間（発電可能日照時間）が、設定された有効日射時間より長い日には、選定された静電容量のキャパシタによって構成された蓄電部３に蓄積しきれない余剰電力が発生する。

　また従来の独立型電源装置では、設定された１日の有効日射時間で、その日と連続無日照保証日数ｎ日間の合計(ｎ＋１)日分の総消費電力量に相当する電力量を蓄積および供給し得る構成になっているので、図１４（ｂ）に示すように、有効日射時間が確保できた後、さらに連続無日照保証日数の期間中に発電可能日照時間が生じた場合にも当然、蓄電部３に蓄積しきれない余剰電力が発生する。この余剰電力を無駄にせず蓄積することができれば、さらに長期の連続無日照保証に対応することができる。

　従来の独立型電源装置においても、蓄電部３のキャパシタの静電容量を増加すれば、蓄積可能な電力量は増加する。しかし、太陽電池の出力電流や出力電力を増加させずに、単に蓄電部３のキャパシタの静電容量を増加するだけでは、充電に必要な時間が増大し、有効日射時間内に電力変換器４と負荷５を駆動するのに必要な電圧までキャパシタを充電できないという問題が起こり得る。

　換言すれば、静電容量の増加した蓄電部３を有効日射時間内に満充電にしようとすれば、キャパシタの静電容量の増加に応じて、太陽電池の出力電流や出力電力を増大させる必要があり、太陽電池の面積も大きくしなければならないという問題が生じる。

　本発明はこのような従来の問題点に鑑みてなされたもので、電力源の出力を増大させることなく、余剰電力を蓄積してより長期の連続無日照保証に対応できる独立型電源装置を提供することを目的とする。

解決を解決するための手段

　上記目的を達成するため本発明にかかる独立型電源装置は、直流電流源から供給される電力を電気二重層キャパシタに蓄積する独立型電源装置であって、
　前記電気二重層キャパシタを複数含む少なくとも２個の蓄電ユニットで構成され、これら蓄電ユニットの定格電圧は等しく、かつ蓄電ユニット間に優先順位が定められた蓄電部と、
　複数のスイッチで構成され、前記直流電流源と前記複数の蓄電ユニットとを選択的に接続するスイッチ部と、
　前記少なくとも２個の蓄電ユニットの電圧を検出し、その電圧に従って前記スイッチ部の接続状態を切り換える電圧監視部と、を備え、
　前記電圧監視部は、
　　前記少なくとも２個の蓄電ユニットのうち優先順位の高い第１の蓄電ユニットを、前記スイッチ部を介して前記直流電流源に接続し、
　　前記第１の蓄電ユニットに前記直流電流源から電力が供給されて電圧があらかじめ設定された第１の電圧になったとき、前記スイッチ部の接続状態を切り換え、次に優先順位の高い第２の蓄電ユニットを前記直流電流源に接続することを特徴とする。

　ここで、前記電圧監視部は、電力が蓄積された前記第１の蓄電ユニットの電圧が放電によりあらかじめ設定された第３の電圧になったとき、前記スイッチ部の接続状態を切り換え、再び前記第１の蓄電ユニットを前記直流電流源に接続することが好ましい。また前記少なくとも２個の蓄電ユニットの静電容量は同一であることが好ましい。

　また前記電圧監視部は、
　　前記少なくとも２個の蓄電ユニットの電圧を検出すると共に、前記スイッチ部のスイッチを切り換えるための制御信号を出力する制御回路と、
　　電気二重層キャパシタで構成され、前記制御回路に電力を供給する電源と、を備え、
　前記電源は、前記スイッチ部を介して前記直流電流源に接続され、前記直流電流源から電力が供給されることが好ましい。

　また前記電圧監視部は、前記スイッチ部の接続状態を切り換えて前記電源の充電を停止した後、前記電源の電圧が放電によりあらかじめ設定された第４の電圧になったとき、前記スイッチ部の接続状態を切り換え、再び前記電源を前記直流電流源に接続することが好ましい。

　また前記蓄電部から出力された電力を、所定の電圧の直流電力または交流電力に変換する電力変換器を更に備えることが好ましい。

　なお、前記第１の蓄電ユニットと第２の蓄電ユニットは直列に接続され、前記第２の蓄電ユニットから出力された電力が前記第１の蓄電ユニットに供給され、前記第１の蓄電ユニットから出力された電力が前記電力変換器に供給されるものであってもよい。

　もしくは前記第１の蓄電ユニットと第２の蓄電ユニットは並列に接続され、前記第１の蓄電ユニットから出力された電力または前記第２の蓄電ユニットから出力された電力が、選択的に前記電力変換器に供給されるものであってもよい。

　本発明にかかる独立型電源装置は、１日の発電可能日照時間が、設定された有効日射時間より長かったり、連続無日照保証日数の期間中に発電可能日照時間が存在したために、蓄電部に蓄積しきれない余剰電力が発生した場合にも、この余剰電力を蓄積することにより、設定された連続無日照保証日数より長期の連続無日照保証日数に対応できる。

　したがって、本発明による独立型電源装置を利用すれば、独立型電源装置と負荷が設置される地域が、冬季に殆ど日照のない北欧等の高緯度地域の場合でも、日照のある春期～秋期に発生する余剰電力を蓄積することにより、日照のない冬期の電力を賄うことも可能となる。

図１は、有効日射時間と連続無日照保証日数との関係を説明する図である。 図２は、蓄電部の蓄電要素としてキャパシタを用いた一般的な独立型電源装置の構成を示す図である。 図３は、独立型電源装置の他の構成を示す図である。 図４は、独立型電源装置の具体的な構成の一例を示す図である。 図５は、リセットＩＣの特性を示すグラフである。 図６は、リセットＩＣの特性を示すグラフである。 図７は、蓄電部電圧Ｖｔおよび直流電流源の電圧Ｖｓの時間的な経過を示すグラフである。 図８は、独立型電源装置の他の構成を示す図である。 図９は、独立型電源装置の具体的な構成の他の例を示す図である。 図１０は、蓄電部電圧Ｖｔおよび直流電流源の電圧Ｖｓの時間的な経過を示すグラフである。 図１１は、蓄電部電圧Ｖｔの時間的な経過を示すグラフである。 図１２は、独立型電源装置の充電状態を説明するグラフである。 図１３は、図１２の一部を拡大して示したグラフである。 図１４は、有効日射時間と連続無日照保証日数との関係を説明する図である。 図１５は、本発明の実施の形態１にかかる独立型電源装置の構成を示す図である。 図１６は、有効日射時間と連続無日照保証日数との関係を説明する図である。 図１７は、蓄電部の他の構成を示す図である。 図１８は、本発明の実施の形態２にかかる独立型電源装置の構成を示す図である。 図１９は、リセットＩＣの特性を示すグラフである。 図２０は、実施の形態２にかかる独立型電源装置の各部の電圧の時間的な経過を示すグラフである。 図２１は、実施の形態２にかかる独立型電源装置の充電状態を説明するグラフである。 図２２は、本発明の実施の形態３にかかる独立型電源装置の構成を示す図である。 図２３は、本発明の実施の形態４にかかる独立型電源装置の構成を示す図である。 図２４は、実施の形態４にかかる独立型電源装置の具体的な構成の一例を示す図である。

　本発明の独立型電源装置は、蓄電部を、定格電圧が等しく、かつ優先順位が定められた複数の蓄電ユニットで構成するものである。そして有効日射時間をｍ時間、連続無日照保証日数をｎ日とし、さらに蓄電部の回路損失等による消費電力と負荷の消費電力値に基づいて、有効日射時間が確保される１日と連続無日照保証日数であるｎ日間の合計（ｎ＋１）日間に必要とされる電力量を、優先順位の高い第１の蓄電ユニットに蓄積し、余剰電力を次の優先順位の第２の蓄電ユニットに蓄積することにより、より長期の連続無日照保証に対応できる独立型電源装置を実現するものである。以下、本発明の実施の形態にかかる独立型電源装置について、図面を参照しながら説明する。

　実施の形態についての具体的な説明に入る前に、本発明の蓄電部に用いられる電気二重層キャパシタについて説明する。狭義の電気二重層キャパシタは、電極の正極と負極の両方に電気二重層容量を用いた対称型の電気二重層キャパシタを意味するが、広義の電気二重層キャパシタには、対称型のキャパシタの他に、一方の極が酸化還元反応を伴って発生する酸化還元擬似容量（レドックス擬似容量）で、他方の極が電気二重層容量となっている非対称型の電気二重層キャパシタなども含まれる。本発明は広義の電気二重層キャパシタに適用可能である。

　また、蓄電部の蓄電要素としてのキャパシタ単体の定格電圧は２．３～４．０［Ｖ］程度と低いので、一般的にはキャパシタを直列接続して出力電圧を高めた蓄電部を構成する場合も多いが、実施の形態４を除き、説明を簡単化するために負荷が高い電圧を必要とせず、蓄電部のキャパシタを直列接続せず、キャパシタ単体あるいは複数個のキャパシタを並列接続して構成した場合の例について述べる。

　すなわち、後述する実施の形態１～３の蓄電部の定格電圧（すなわち満充電電圧）は、キャパシタ単体の定格電圧２．３～４．０［Ｖ］程度である場合を想定しており、直流電流源の開放電圧も、蓄電部のキャパシタを充電し得るような、キャパシタ単体の定格電圧より少し高い程度の電圧であるとする。

　負荷がキャパシタ単体の定格電圧より高い電圧を必要とし、キャパシタを直列接続して出力電圧を高めた蓄電部を構成しなければならない場合については、実施の形態４において、実施の形態１～３を適用する方法について述べる。

　（実施の形態１）
　図１５に本発明の実施の形態１にかかる独立型電源装置の構成を示す。図中、既述の図面に記載された構成要素と同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

　本実施の形態に用いる蓄電部３ａは、キャパシタ単体または複数個のキャパシタを並列接続して構成された、定格電圧の等しい第１蓄電ユニット３１と第２蓄電ユニット３２を有する。第１蓄電ユニット３１の静電容量は、少なくとも有効日射時間が確保される１日と連続無日照保証日数ｎ日間に負荷が必要とする電力量を供給し得る静電容量に設定されている。また直流電流源１が太陽電池の場合には、有効日射時間内に第１蓄電ユニット３１を満充電にし得る出力電流を供給できる太陽電池が設定されている。

　第２蓄電ユニット３２の静電容量が、第１蓄電ユニット３１の静電容量と同一であれば、図１６に示すように、有効日射時間が確保される晴天日１に発電された電力を第１蓄電ユニット３１に蓄積し、さらにｎ日の連続無日照保証期間中に、有効日射時間が確保される晴天日２が存在すれば、晴天日２に発電された電力を第２蓄電ユニット３２に蓄積するので、蓄電部３ａには２ｎ日の連続無日照保証日数の間に負荷が必要とする電力が蓄積できる。

　第２蓄電ユニット３２の静電容量は、第１蓄電ユニット３１の静電容量と同一容量であることが好ましいが、第１蓄電ユニット３１の静電容量より小さくても大きくても、本発明の効果が損なわれることはない。以下の説明では、第１蓄電ユニット３１の静電容量と第２蓄電ユニット３２の静電容量が同一容量である場合について説明する。

　図１５に示す独立型電源装置では、スイッチ部８と電圧監視部９によって、図４や図９の過充電保護回路２の機能を担っている。スイッチ部８内の破線で囲まれたスイッチＳ１とリセットＩＣ８１で構成される回路は、図９に示した過充電保護回路２ｄと同様の回路である。また図１５では、煩雑さを避けるため、リセットＩＣ８１の入力端子ＶＩに接続される分圧抵抗や、遅延容量接続端子および遅延容量接続端子に接続されるキャパシタおよび接地端子は省略している。

　電圧監視部９は、蓄電部３ａの第１蓄電ユニット３１の出力電圧（以後、「第１ユニット電圧」と記す）Ｖｔ１と第２蓄電ユニット３２の出力電圧（以後、「第２ユニット電圧」と記す）Ｖｔ２を監視し、スイッチ部８のスイッチＳ２とスイッチＳ３を制御する。なお、スイッチＳ１～スイッチＳ３は、一般的にはＦＥＴ等の半導体で構成される。

　図１５の電圧監視部９内の電源用キャパシタＣｖ（以降、「キャパシタＣｖ」と略記する）は、電圧監視部９の制御回路９０を駆動するための電力を蓄積するためのキャパシタである。キャパシタＣｖの過充電保護の具体的な方法については後述する。また、ダイオードＤ１～Ｄ６は逆流防止用ダイオードであり、ダイオードＤ１～Ｄ３はスイッチ部８内にあっても、電圧監視部９内にあっても良い。また、ダイオードＤ４およびＤ５もスイッチ部８内にあっても蓄電部３ａ内にあっても良い。

　図１５の独立型電源装置の動作について説明する。まず、直流電流源１がスイッチ部８に接続されると、図９の独立型電源装置と同様の動作により、スイッチＳ１がオン（すなわち閉じる）となり、直流電流源１とキャパシタＣｖがスイッチＳ１およびダイオードＤ１を経由して接続されてキャパシタＣｖが充電され、電圧監視部９が稼働状態となる（キャパシタＣｖへの充電過程は、図９における蓄電部３への充電過程と同様である）。

　電圧監視部９が稼働状態になると、制御回路９０からスイッチ部８のスイッチＳ２をオンにする（すなわち閉じる）信号が送出され、直流電流源１と第１蓄電ユニット３１がダイオードＤ４を介して接続され、第１蓄電ユニット３１への充電が開始される。

　なお、制御回路９０が停止することのないように、できる限りキャパシタＣｖに電力を蓄積しておくために、直流電流源１とキャパシタＣｖをスイッチＳ２とダイオードＤ２を介して接続し、キャパシタＣｖの充電を行うようにしてもよい。この時点で、スイッチＳ３はオフ（すなわち開く）の状態である。

　そして第１蓄電ユニット３１の充電が進行し、第１ユニット電圧Ｖｔ１があらかじめ設定された第１の電圧（すなわち第１蓄電ユニット３１が過充電にならないような電圧、例えば定格電圧）になった時点で、第１蓄電ユニット３１には負荷５が必要とする有効日射時間が確保される１日分と連続無日照保証日数分の電力量が蓄積されたことになる。

　第１ユニット電圧Ｖｔ１が定格電圧に達した（すなわち満充電になった）ことを制御回路９０が検知すると、制御回路９０からスイッチ部８のスイッチＳ２をオフ（すなわち開く）にし、スイッチＳ３をオン（すなわち閉じる）にする信号が送出されることにより、直流電流源１と第１蓄電ユニット３１との接続が切り離されて第１蓄電ユニット３１への充電が停止され、直流電流源１と第２蓄電ユニット３２がダイオードＤ５を介して接続されて、第１蓄電ユニット３１に蓄えきれない余剰電力の第２蓄電ユニット３２への充電が開始される。

　なお、制御回路９０が停止することのないように、できる限りキャパシタＣｖに電力を蓄積しておくために、直流電流源１とキャパシタＣｖをスイッチＳ３とダイオードＤ３を介して接続し、キャパシタＣｖの充電を行うようにしてもよい。

　そして第２蓄電ユニット３２への充電が進行し、第２ユニット電圧Ｖｔ２があらかじめ設定された第２の電圧（すなわち第２蓄電ユニット３２が過充電にならないような電圧、例えば定格電圧）になったことを制御回路９０が検知すると、制御回路９０からスイッチ部８のスイッチＳ３をオフ（すなわち開く）にする信号が送出され、第２蓄電ユニット３２への充電が停止される。

　第１蓄電ユニット３１の静電容量と第２蓄電ユニット３２の静電容量が同一容量で、第１蓄電ユニット３１から負荷に対して電力が供給されていなければ、この時点で、第１蓄電ユニット３１と第２蓄電ユニット３２に蓄積された電力量の総和は、設定された連続無日照保証日数に必要とされる電力量の２倍となる。

　また、第２蓄電ユニット３２が充電中に、第２ユニット電圧Ｖｔ２があらかじめ設定された第２の電圧（すなわち定格電圧）に到るまでに、第１蓄電ユニット３１から負荷に対して電力が供給され、第１ユニット電圧Ｖｔ１があらかじめ設定された第３の電圧まで低下すると、制御回路９０はその電圧低下を検出し、スイッチ部のスイッチＳ２をオン（すなわち閉じる）にし、スイッチＳ３をオフ（すなわち開く）にする信号を送出することにより、第２蓄電ユニット３２への充電を中断し、第１蓄電ユニット３１を優先的に充電する。そして、再び第１ユニット電圧Ｖｔ１が第１の電圧に達すると、第２蓄電ユニット３２への充電が再開される。

　なお、第３の電圧は、少なくとも電力変換器４の許容入力電圧範囲の下限値以上の電圧に設定される。またスイッチ部８内の破線で囲まれたスイッチＳ１とリセットＩＣ８１で構成される回路において、スイッチＳ１をブレイク接点スイッチ（normally closed switch）で構成することにより、直流電流源１とスイッチ部８が接続されると同時にキャパシタＣｖの充電を開始し、キャパシタＣｖの電圧が定格電圧（満充電）に達すると制御回路９０からの制御信号により、スイッチＳ１をＯＦＦ（すなわち開く）とする構成としてもよい。

　また、図１５では第２蓄電ユニット３２の出力がダイオードＤ６を経由して第１蓄電ユニット３１に接続されているが、図１７に示すように、第２蓄電ユニット３２の出力を第１蓄電ユニット３１の出力に並列に接続し、ダイオードＤ６を経由して電力変換器４に接続する構成としてもよい。ただし、この場合には第１蓄電ユニット３１と電力変換器４の間にも逆流防止ダイオードＤ７が必要となる。

　（実施の形態２）
　図１８は、本発明の実施の形態２にかかる独立型電源装置の構成を示したものである。図１８の独立型電源装置は、図１５に示した独立型電源装置の電圧監視部９の具体的な構成の一例を示している。ただし、図１８では説明を簡単化するために、図１５中に記した、スイッチＳ３とダイオードＤ３を介して直流電流源１とキャパシタＣｖを接続し、キャパシタＣｖの充電を行う回路は省略している。また図１８では、リセットＩＣ８１、９１～９３のそれぞれの入力端子ＶＩに接続される分圧抵抗や、遅延容量接続端子および遅延容量接続端子に接続されるキャパシタおよび接地端子の図示を省略している。

　図１８中のリセットＩＣ８１、リセットＩＣ９２およびリセットＩＣ９３は、先に述べたＬリセット型のリセットＩＣであり、リセットＩＣ９１は、図１９に示すようにリセットＩＣへの入力電圧Ｖｉが検出電圧Ｖｒ以下の場合には高レベルの信号（Ｈ信号）を出力し、入力電圧Ｖｉが検出電圧Ｖｒ以上の場合には低レベルの信号（Ｌ信号）を出力するＨリセット型のリセットＩＣである。

　このＨリセット型のリセットＩＣも、Ｌリセット型のリセットＩＣと同様、遅延容量接続端子ＣｄにキャパシタＣ１を接続することにより、遅延時間Ｔｄを設定することができる。

　さらに図１８中の、ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ４～Ｄ６は逆流防止用ダイオードである。またスイッチ部８内のスイッチＳ１は、Ｌ信号が入力されるとオン（すなわち閉じる）となり、Ｈ信号が入力されるとオフ（すなわち開く）となるスイッチであり、スイッチＳ２～Ｓ３は、Ｈ信号が入力されるとオン（すなわち閉じる）となり、Ｌ信号が入力されるとオフ（すなわち開く）となるスイッチである。

　図１８の電圧監視部９内の電源用キャパシタＣｖは、電圧監視部９内の論理積ＩＣであるＡＮＤ回路９６とリセットＩＣ９１～９３およびセット・リセット・フリップフロップであるＳＲ－ＦＦ９４と９５の電源端子に電力を供給するためのキャパシタである。ただし、キャパシタＣｖからＡＮＤ回路９６に供給される電源線は省略している。

　また電圧監視部９内の論理積ＩＣであるＡＮＤ回路９６とリセットＩＣ９１～９３およびＳＲ－ＦＦ９４と９５は、図１５の制御回路９０を構成している。

　以下に、キャパシタＣｖを制御回路９０の電源として用いる理由を述べる。直流電流源１をスイッチＳ２とダイオードＤ４を介して第１蓄電ユニット３１と接続すると、第１蓄電ユニット３１の電圧Ｖｔ１がキャパシタＣｖの電圧Ｖｂより低い場合には、直流電流源１の出力電圧Ｖｓは接続された第１蓄電ユニット３１の電圧Ｖｔ１とほぼ等しくなる。また、直流電流源１をスイッチＳ３とダイオードＤ５を介して第２蓄電ユニット３２と接続すると、直流電流源１の出力電圧Ｖｓは接続された第２蓄電ユニット３２の電圧Ｖｔ２とほぼ等しくなる。

　したがって、制御回路９０の電源をキャパシタＣｖからではなく、直流電流源１から直接供給する構成にすると、第１蓄電ユニット３１も第２蓄電ユニット３２も完全放電状態にある場合や、直流電流源１からの電力を蓄積する対象を、満充電状態に達した第１蓄電ユニット３１から完全放電状態にある第２蓄電ユニット３２へと切換えた際に、直流電流源１の出力電圧Ｖｓは急激に低下する。

　この時の直流電流源１の出力電圧Ｖｓは、第１ユニット電圧Ｖｔ１あるいは第２ユニット電圧Ｖｔ２より、スイッチＳ２やスイッチＳ３の導通時の順方向電圧降下と逆流防止用ダイオードＤ４あるいはＤ５の順方向電圧降下を加えた電圧Ｖｆだけ高くなるので、最低動作電圧の低いリセットＩＣは駆動できるが、一般的にリセットＩＣより最低動作電圧の高い論理積ＩＣであるＡＮＤ回路やＳＲ－ＦＦを安定的に駆動させることはできない。

　そこで、電圧監視部９内の制御回路用の電源としてキャパシタＣｖを用いることにより、第１蓄電ユニット３１も第２蓄電ユニット３２も完全放電状態にある場合や、直流電流源１からの電力を蓄積する対象を、満充電状態に達した第１蓄電ユニット３１から完全放電状態にある第２蓄電ユニット３２へ切り換えた際などに、直流電流源１の出力電圧が低下しても、制御回路９０を安定的に駆動できるようにしている。

　なお、キャパシタＣｖは、少なくとも有効日射時間が確保される晴天日１日と連続無日照保証日数であるｎ日間の合計（ｎ＋１）日の間、制御回路９０を駆動させることができる電力量を蓄積できる静電容量を有している。

　次に、図１８に示す独立型電源装置の充電過程について、図２０のグラフを参照して説明する。図２０の上段は図１８の独立型電源装置の各部の電圧の時間的な経過を示したもの、下段はスイッチＳ１～Ｓ３のＯＮ／ＯＦＦ状態を示したものである。なお、以下の説明では、第１蓄電ユニット３１の定格電圧と第２蓄電ユニット３２の定格電圧は同一であるとし、また初期状態では、第１蓄電ユニット３１と第２蓄電ユニット３２のキャパシタ、および電圧監視部９の電源としてのキャパシタＣｖは完全放電状態にあるとする。

　＜電源用キャパシタＣｖの充電＞
　電源用キャパシタＣｖの充電過程では、図１０に示した図９の独立型電源装置の蓄電部３の充電過程と同様の動作が行われる。

（１）図１８中のスイッチ部８のリセットＩＣ８１は、先に述べたようにＬリセット型のリセットＩＣで、直流電流源１の電圧を監視しており、直流電流源１の電圧が、あらかじめ設定された第４の電圧以上になった時点から遅延時間Ｔｄ後に高レベルの信号（Ｈ信号）を、また、第４の電圧未満になった時点で低レベルの信号（Ｌ信号）を出力するように、分圧抵抗（図示せず）の値とリセットＩＣ８１の遅延容量端子（図示せず）に接続されるキャパシタ（図示せず）の値が設定されている。

　なお、第４の電圧は、電圧監視部９のリセットＩＣ９１～９３とＳＲ－ＦＦ９４および９５の全てが稼働する最低動作電圧Ｖｍに、スイッチＳ１の順方向電圧降下とダイオードＤ１の順方向電圧降下の和の電圧Ｖｆを加えた電圧以上の電圧に設定されている。

　時刻Ｔ１において、直流電流源１とスイッチ部８が接続され、スイッチ部８に直流電流源１の電圧が印加されると同時に、リセットＩＣ８１の電源端子ＶＤにも直流電流源１の電圧が印加される。リセットＩＣ８１の電源端子ＶＤに、リセットＩＣ８１の最低動作電圧以上の電圧が印加されると、リセットＩＣ８１は稼働状態となり、同時に直流電流源１の電圧が第４の電圧以上であると判断される電圧が、分圧抵抗（図示せず）を介してリセットＩＣ８１の入力端子ＶＩに印加されるが、その時点から少なくとも遅延時間Ｔｄ後までは、リセットＩＣ８１の出力端子ＶＯからスイッチＳ１に対して低レベルの信号（Ｌ信号）、すなわち接地電位の信号が出力され続ける。

　その結果、スイッチＳ１は導通状態となり、直流電流源１とキャパシタＣｖがダイオードＤ１を介して接続され、キャパシタＣｖへの充電が開始される。

　直流電流源１とキャパシタＣｖが、スイッチＳ１と逆流防止用ダイオードＤ１を介して接続された直後、直流電流源１の電圧Ｖｓは図２０のように、完全放電状態にあるキャパシタＣｖの出力電圧にＶｆを加えた電圧（すなわち電圧Ｖｆ）まで一旦低下する（図２０のＡ点）。この電圧は第４の電圧より低いが、リセットＩＣ８１の最低動作電圧は極めて低く、Ｖｆより低いので、リセットＩＣ８１の動作が停止することはない。

　また、リセットＩＣ８１の入力端子ＶＩには、第４の電圧より低い直流電流源１の電圧Ｖｓが分圧抵抗（図示せず）を介して印加されるので、リセットＩＣ８１の出力電圧は、遅延時間Ｔｄ後も高レベルの信号（Ｈ信号）とはならず、リセットＩＣ８１の出力端子ＶＯからは低レベルの信号（Ｌ信号）がスイッチＳ１に出力され続けるので、キャパシタＣｖへの充電は継続される。

　すなわち、リセットＩＣ８１の出力の遅延時間Ｔｄを、スイッチＳ１のスイッチング時間より少し長い値に設定しておけば、リセットＩＣ８１は遅延時間Ｔｄ以降もＬ信号を継続して出力し続け、さらに直流電流源１の電圧Ｖｓがあらかじめ設定された第４の電圧に到った時点から遅延時間Ｔｄ後までは、Ｌ信号を出力し続けるので、キャパシタＣｖへの充電が中断することなく継続される。

　なお、図２０ではスイッチＳ１～スイッチＳ３のスイッチング時間および遅延時間Ｔｄは無視できるほど小さいので図示していない。

　キャパシタＣｖへの充電継続中、直流電流源１の電圧Ｖｓは、図２０に示すようにキャパシタＣｖの端子間電圧にＶｆを加えた電圧を保持しながら徐々に上昇する。

（２）キャパシタＣｖに蓄えられた電力は制御回路９０に供給されるが、制御回路９０全体は、キャパシタＣｖの端子間電圧Ｖｂが制御回路９０の全ての素子が稼働する最低動作電圧Ｖｍに達しなければ稼働しない。なお、リセットＩＣ９１～９３には遅延時間を設定しなくてもよい。

（３）キャパシタＣｖへの充電が進み、キャパシタＣｖの端子間電圧Ｖｂが、制御回路９０が稼働する最低動作電圧Ｖｍ（≦第４の電圧－Ｖｆ）に達すると、スイッチ部８および電圧監視部９全体が稼働状態になる。

　＜第１蓄電ユニット３１への充電＞
（４）電圧監視部９が稼働状態になると、リセットＩＣ９１はキャパシタＣｖの端子間電圧Ｖｂの監視を、リセットＩＣ９２は第１ユニット電圧Ｖｔ１の監視を、リセットＩＣ９３は第２ユニット電圧Ｖｔ２の監視を開始する。

　Ｈリセット型のリセットＩＣ９１は、キャパシタＣｖの端子間電圧Ｖｂがあらかじめ設定された第５の電圧未満の場合には、ＳＲ－ＦＦ９４とＳＲ－ＦＦ９５のセット端子ＳＦ１、ＳＦ２にＨ信号を送出し、キャパシタＣｖの端子間電圧Ｖｂが第５の電圧以上の場合にはＳＲ－ＦＦ９４とＳＲ－ＦＦ９５のセット端子ＳＦ１、ＳＦ２にＬ信号を送出する。

　なお、第５の電圧は、キャパシタＣｖの蓄積電荷量が、制御回路９０を、少なくとも有効日射時間が確保される１日と連続無日照保証日数であるｎ日間の合計（ｎ＋１）日間動作させることができる電力量に相当する電圧に設定されている。

　またＬリセット型のリセットＩＣ９２は、第１ユニット電圧Ｖｔ１があらかじめ設定された第１の電圧未満の場合には、ＳＲ－ＦＦ９４のリセット端子ＲＦ１にＬ信号を送出し、第１ユニット電圧Ｖｔ１が第１の電圧以上の場合には、ＳＲ－ＦＦ９４のリセット端子ＲＦ１にＨ信号を送出する。

　さらにＬリセット型のリセットＩＣ９３は、第２ユニット電圧Ｖｔ２があらかじめ設定された第１の電圧未満の場合には、ＳＲ－ＦＦ９５のリセット端子ＲＦ２にＬ信号を送出し、第２ユニット電圧Ｖｔ２が第１の電圧以上の場合には、ＳＲ－ＦＦ９５のリセット端子ＲＦ２にＨ信号を送出する。前述したように第１の電圧は、第１蓄電ユニット３１および第２蓄電ユニット３２が過充電にならないような電圧（例えば定格電圧）に設定することが好ましい。

　したがって、キャパシタＣｖの端子間電圧が最低動作電圧Ｖｍに達して、制御回路９０が稼働状態になると、リセットＩＣ９１は、ＳＲ－ＦＦ９４とＳＲ－ＦＦ９５のセット端子ＳＦ１、ＳＦ２にＨ信号を送出する。また、リセットＩＣ９２は、ＳＲ－ＦＦ９４のリセット端子ＲＦ１にＬ信号（すなわち第１ユニット電圧Ｖｔ１が、まだ第１の電圧に達していないという信号）を送出し、リセットＩＣ９３は、ＳＲ－ＦＦ９５のリセット端子ＲＦ２にＬ信号（すなわち第２ユニット電圧Ｖｔ２が、まだ第１の電圧に達していないという信号）を送出する。

　上記の信号を受けたＳＲ－ＦＦ９４は、出力端子Ｑ１からスイッチＳ２をオン（すなわち閉じる）にするＨ信号を送出し、Ｑ１の否定出力端子からＡＮＤ回路９６の一方の入力にＬ信号を送出する。また、ＳＲ－ＦＦ９５は、出力端子Ｑ２からＡＮＤ回路９６の他方の入力にＨ信号を送出する。したがって、ＡＮＤ回路９６の出力はＬ信号となり、スイッチＳ３はオフ（すなわち開く）状態に保持される。

　その結果、直流電流源１と第１蓄電ユニット３１がスイッチＳ２とダイオードＤ４を介して接続され、第１蓄電ユニット３１への充電が開始され、同時に、直流電流源１とキャパシタＣｖもスイッチＳ２とダイオードＤ２を介して接続され、キャパシタＣｖの充電も継続される。

　しかし、第１蓄電ユニット３１への充電が開始された直後に、直流電流源１の電圧Ｖｓは図２０に示すように、完全放電状態にある第１ユニット電圧（すなわち接地電位）Ｖｔ１にＶｆを加えた電圧まで低下し、また、すでに充電が進行しているキャパシタＣｖの端子間電圧Ｖｂの方が完全放電状態にある第１蓄電ユニット３１の電圧Ｖｔ１より高いので、直流電流源１からの充電電流は、キャパシタＣｖの端子間電圧Ｖｂと第１ユニット電圧Ｖｔ１が等しくなるまで第１蓄電ユニット３１へ流入する。そして第１蓄電ユニット３１への充電が進み、キャパシタＣｖの端子間電圧Ｖｂと第１ユニット電圧Ｖｔ１が等しくなった時点から、キャパシタＣｖと第１蓄電ユニット３１は、ほぼ同電圧を保ちながら充電が進行する。

　なお、第１蓄電ユニット３１と接続された直後の直流電流源１の出力電圧Ｖｓは、完全放電状態にある第１ユニット電圧（すなわち接地電位）Ｖｔ１よりＶｆだけ高い電圧になっており、Ｖｆより低いリセットＩＣ８１の最低動作電圧は確保されるので、リセットＩＣ８１が動作を停止することはない。

　また、直流電流源１の電圧Ｖｓは図２０のように、第１蓄電ユニット３１への充電が開始されて以降、第１ユニット電圧Ｖｔ１にＶｆを加えた電圧を保持しながら上昇する。

　なお、第１蓄電ユニット３１の充電中にも、直流電流源１とキャパシタＣｖがスイッチＳ２とダイオードＤ２を介して接続され、キャパシタＣｖの充電が行われているのは、制御回路９０が停止することのないように、できる限りキャパシタＣｖに電力を蓄積しておくためである。

（５）第１蓄電ユニット３１への充電の進行に伴って第１ユニット電圧Ｖｔ１が上昇するので、直流電流源１の出力電圧Ｖｓも上昇する。直流電流源１の電圧Ｖｓがあらかじめ設定された第４の電圧に達したことをリセットＩＣ８１が検知した時刻Ｔ２から遅延時間Ｔｄ後に、リセットＩＣ８１はスイッチＳ１をオフにする（すなわち開く）Ｈ信号を送出し、スイッチＳ１を介したキャパシタＣｖへの充電は停止される。その後は、オン（すなわち閉じた）状態にあるスイッチＳ２を介してキャパシタＣｖと第１蓄電ユニット３１が並列に充電される。

　また、キャパシタＣｖに蓄積されている電力は、制御回路９０によって消費されるが、キャパシタＣｖと第１蓄電ユニット３１が並列接続されて直流電流源１から充電が行われるので、キャパシタＣｖの端子間電圧Ｖｂが第１ユニット電圧Ｖｔ１より低下すると直流電流源１からキャパシタＣｖへの流入電流量が増加し、第１蓄電ユニット３１への流入電流量が減少するので、結果的にキャパシタＣｖの端子間電圧Ｖｂと第１ユニット電圧Ｖｔ１は常にほぼ同電圧を保ちながら上昇する。

（６）キャパシタＣｖへの充電が進行し、キャパシタＣｖの端子間電圧Ｖｂがあらかじめ設定された第５の電圧に達すると、Ｈリセット型のリセットＩＣ９１からＳＲ－ＦＦ９４とＳＲ－ＦＦ９５のセット端子ＳＦ１、ＳＦ２にＬ信号が送出されるが、ＳＲ－ＦＦ９４とＳＲ－ＦＦ９５の出力信号は反転せず、第１蓄電ユニット３１とキャパシタＣｖへの充電も継続される。

　＜第１蓄電ユニット３１の充電から第２蓄電ユニット３２の充電へ＞
（７）第１蓄電ユニット３１への充電が進行し、第１ユニット電圧Ｖｔ１が電力変換器４の許容入力電圧範囲の下限値を超えると負荷５への電力供給が可能となる。また、第１蓄電ユニット３１への充電が進行し、第１ユニット電圧Ｖｔ１があらかじめ設定された第１の電圧に達する（すなわち満充電になる）と（図２０の時刻Ｔ３）、リセットＩＣ９２はＳＲ－ＦＦ９４のリセット端子ＲＦ１へＨ信号（すなわち第１蓄電ユニット３１の満充電を知らせる信号）を送出する。一方、リセットＩＣ９１からＳＲ－ＦＦ９４のセット端子ＳＦ１へ送出されている信号はＬ信号なので、ＳＲ－ＦＦ９４の出力信号レベルが反転する。

（８）したがって、ＳＲ－ＦＦ９４の出力端子Ｑ１からＬ信号が送出されて、スイッチＳ２がオフ（すなわち開く）になり、第１蓄電ユニット３１とキャパシタＣｖへの充電が停止され、ＳＲ－ＦＦ１のＱ１の否定出力端子からはＡＮＤ回路９６の一方の入力にＨ信号が送出され、ＳＲ－ＦＦ９５の出力端子Ｑ２からはＨ信号が保持されているので、スイッチＳ３がオン（すなわち開じる）となり、直流電流源１と第２蓄電ユニット３２がスイッチＳ３とダイオードＤ５を介して接続され、直流電流源１から第２蓄電ユニット３２への充電が開始される。

　＜キャパシタＣｖへの補充充電＞
（９）第２蓄電ユニット３２への充電が行われている間、第１蓄電ユニット３１とキャパシタＣｖへの充電は行われない。そのため、キャパシタＣｖの端子間電圧（出力電圧）Ｖｂは、制御回路９０での電力消費により低下する。

（１０）キャパシタＣｖは、少なくとも有効日射時間が確保される晴天日１日と連続無日照保証日数であるｎ日間の合計（ｎ＋１）日の間、制御回路９０を駆動させることができる電力量を蓄積できる静電容量を有しているが、設定した以上の有効日射時間が確保される日があり、（ｎ＋１）日間以上の無日照保証日数分の電力が蓄積された場合、キャパシタＣｖの端子間電圧Ｖｂは低下する。

　そこで、キャパシタＣｖの端子間電圧Ｖｂがあらかじめ設定された第４の電圧まで低下すると（図２０の時刻Ｔ４）、Ｈリセット型のリセットＩＣ９１はその電圧低下を検出し、ＳＲ－ＦＦ９４のセット端子ＳＦ１に対してＨ信号（すなわちキャパシタＣｖの出力電圧低下検出信号）を送出する。

　その結果、ＳＲ－ＦＦ９４の出力信号は再び反転し、スイッチＳ２がオン（すなわち閉じる）、スイッチＳ３がオフ（すなわち開く）となり、直流電流源１と第１蓄電ユニット３１および直流電流源１とキャパシタＣｖとがそれぞれダイオードＤ４、Ｄ２を介して再び接続され、第２蓄電ユニット３２への充電が停止される。但し、キャパシタＣｖと第１蓄電ユニット３１は端子間電圧の低い方から充電される。

　その後もキャパシタＣｖの端子間電圧Ｖｂがあらかじめ定められた第４の電圧まで低下する度に、（６）～（１０）の過程を繰り返す。この動作により、直流電流源１から電力が供給されている間、図２０の時刻Ｔ３～Ｔ６に示すように、キャパシタＣｖの端子間電圧Ｖｂは、制御回路９０の動作を停止させることのない第４の電圧以上でかつ第１の電圧以下に保たれ、また、第１ユニット電圧Ｖｔ１も、あらかじめ定められた第３の電圧以上でかつ第１の電圧以下に保たれる。なお、第３の電圧は、少なくとも電力変換器４の許容入力電圧範囲の下限値以上の電圧に設定される。

　＜充電停止＞
（１１）第２蓄電ユニット３２への充電が進み、第２ユニット電圧Ｖｔ２が第１の電圧に達した（すなわち満充電になった）ことをリセットＩＣ９３が検知すると（図２０の時刻Ｔ６）、リセットＩＣ９３はＳＲ－ＦＦ９５のリセット端子ＲＦ２に対してＨ信号（すなわち第２蓄電ユニット３２が満充電になったことを知らせる信号）を送出する。その結果、ＳＲ－ＦＦ９５の出力端子Ｑ２は、ＡＮＤ回路９６の一方の入力にＬ信号を送出し、ＡＮＤ回路９６の他方の入力にはＳＲ－ＦＦ９５のＱ１の否定出力端子からはＬ信号が保持されているので、スイッチＳ３がオフ（すなわち開く）となり、第２蓄電ユニット３２への充電が停止する。

（１２）図１８に示す独立型電源装置の構成では、第１蓄電ユニット３１から負荷５への電力供給により、第１ユニット電圧Ｖｔ１が低下し、第２ユニット電圧Ｖｔ２が、第１ユニット電圧Ｖｔ１にダイオードＤ６の順方向電圧降下分を加えた電圧を上回ると、第２蓄電ユニット３２から第１蓄電ユニット３１へと電力が供給される。

　しかし、前述の図１７に示したように、第２蓄電ユニット３２の出力を第１蓄電ユニット３１に接続せず、ダイオードＤ６を経由して電力変換器４に接続する構成としてもよい。ただし、この場合には図１７のように第１蓄電ユニット３１と電力変換器４の間にも逆流防止ダイオードＤ７が必要となる。

　また、図１８の独立型電源装置の電圧監視部９のＡＮＤ回路９６およびリセットＩＣ９１～リセットＩＣ９３、ＳＲ－ＦＦ９４、ＳＲ－ＦＦ９５の機能をマイクロプロセッサやマイクロコントローラ、あるいはＣＰＬＤやＦＰＧＡなどで構成してもよい。

　以下、図１８に示した独立型電源装置の評価試験の結果について説明する。先に述べた図４の独立型電源装置の評価実験の場合と同様、有効日射時間を３時間、連続無日照保証日数を５日とした静電容量をもつ第１蓄電ユニット３１と、さらに第１蓄電ユニット３１と同じ静電容量もつ第２蓄電ユニット３２を用意した。

　独立型電源装置の第１ユニット電圧Ｖｔ１と第２ユニット電圧Ｖｔ２が０［Ｖ］の状態（すなわち完全放電状態）で、先に記した図４の独立型電源装置の評価実験の場合と同じ負荷とＤＣ－ＤＣコンバータ（電力変換器４）を接続して屋外に設置し、第１ユニット電圧Ｖｔ１、第２ユニット電圧Ｖｔ２、ＤＣ－ＤＣコンバータの出力電圧Ｖａおよび照度を１週間測定した。その結果を図２１に示す。

　なお、第１蓄電ユニット３１と第２蓄電ユニット３２にはそれぞれ、定格電圧２．７［Ｖ］、静電容量２００［Ｆ］のキャパシタを、キャパシタＣｖには定格電圧２．７［Ｖ］、静電容量１［Ｆ］のキャパシタを用いた。

　図２１により、１日目から第１ユニット電圧Ｖｔ１は定格電圧に近い状態を維持しており、第１ユニット電圧Ｖｔ１が定格電圧に達すると充電対象を第２蓄電ユニットＶｔ２に切換えて充電が行われていることから、余剰電力が蓄えられていることが確認される。

　また、２日目には、第２ユニット電圧Ｖｔ２も定格電圧に近い状態を維持しており、３日目以降は、第１ユニット電圧Ｖｔ１と第２ユニット電圧Ｖｔ２は悪天候の影響を受けることなく、いずれも、２．０［Ｖ］に設定された第３の電圧と２．７［Ｖ］に設定された第１の電圧の間に維持されている。

　すなわち、第１蓄電ユニット３１で連続無日照保証日数５日分の電力量が確保され、さらに第２蓄電ユニット３２で連続無日照保証日数５日分の電力量が確保され、１０日分の電力量が確保されていることがわかる。

　（実施の形態３）
　図２２に本発明の実施の形態３にかかる独立型電源装置の構成の一例を示す。本実施の形態では、図１８の蓄電部３ａが蓄電部３ｂに、スイッチ部８がスイッチ部８ｂに、電圧監視部９が電圧監視部９ｂに置き換えられている。また蓄電部３ｂは、第１蓄電ユニット３１、第２蓄電ユニット３２および第３蓄電ユニット３３の３つの蓄電ユニットで構成されている。

　図２２において、リセットＩＣ８１、９２、９３および９７はＬリセット型のリセットＩＣであり、リセットＩＣ９１は、Ｈリセット型のリセットＩＣである。なお、リセットＩＣ８１には実施の形態２と同様の遅延時間が設定されており、リセットＩＣ９１、９２、９３および９７には遅延時間を設定しなくても良い。

　また、図２２中のスイッチ部８ｂ内のスイッチＳ１は、Ｌ信号が入力されるとオン（すなわち閉じる）となり、Ｈ信号が入力されるとオフ（すなわち開く）となるスイッチであり、スイッチＳ２～Ｓ４は、Ｈ信号が入力されるとオン（すなわち閉じる）となり、Ｌ信号が入力されるとオフ（すなわち開く）となるスイッチである。

　なお、電圧監視部９ｂ内の論理積ＩＣであるＡＮＤ回路９６と９９、リセットＩＣ９１、９２、９３および９７、セット・リセット・フリップフロップであるＳＲ－ＦＦ９４、９５および９８は、制御回路を構成している。また、図２２では、リセットＩＣ８１、９１、９２、９３、および９７の入力端子に接続される分圧抵抗や遅延容量接続端子に接続されるキャパシタおよび接地端子は図示されていない。また、ダイオードＤ１～Ｄ７は逆流防止用ダイオードである。

　以下、図２２に示した本実施の形態にかかる独立型電源装置の動作を説明するが、初期状態において、第１蓄電ユニット３１、第２蓄電ユニット３２、第３蓄電ユニット３３およびキャパシタＣｖはいずれも完全放電状態であり、スイッチＳ１～スイッチＳ４は開放状態にある。

　＜電源用キャパシタＣｖの充電＞
（１）電源用キャパシタＣｖの充電開始までの過程は、実施の形態２における電源用キャパシタＣｖの充電開始までの過程と同様であるので、説明は省略する。

（２）キャパシタＣｖに蓄えられた電力は、電圧監視部９ｂ内の論理積ＩＣであるＡＮＤ回路９６と９９およびリセットＩＣ９１、９２、９３および９７、ＳＲ－ＦＦ９４、９５および９８の電源端子に供給されるが、これらの素子は、キャパシタＣｖの端子間電圧Ｖｂがこれらの素子の最低動作電圧Ｖｍに達しなければ稼働しない。

（３）キャパシタＣｖへの充電が進み、キャパシタＣｖの端子間電圧Ｖｂが、制御回路を構成する各素子の最低動作電圧Ｖｍに達すると、制御回路全体が稼働状態になる。

　＜第１蓄電ユニット３１への充電＞
（４）電圧監視部９ｂ内のリセットＩＣ９１は稼働状態になると、キャパシタＣｖの端子間電圧Ｖｂを監視し、実施の形態２と同様に、キャパシタＣｖの端子間電圧Ｖｂがあらかじめ定められた第５の電圧未満の場合には、ＳＲ－ＦＦ９４、９５および９８のセット端子ＳＦ１～ＳＦ３にＨ信号を送出し、キャパシタＣｖの端子間電圧Ｖｂがあらかじめ定められた第５の電圧以上の場合にはＳＲ－ＦＦ９４、９５および９８のセット端子ＳＦ１～ＳＦ３にＬ信号を送出する。

　なお、第５の電圧は、キャパシタＣｖの蓄積電荷量が、電圧監視部９ｂ内の制御回路を、少なくとも有効日射時間が確保される１日と連続無日照保証日数であるｎ日間の合計（ｎ＋１）日間動作させることができる電力量に相当する電圧に設定されている。

　また、リセットＩＣ９２は稼働状態になると、第１ユニット電圧Ｖｔ１を監視し、第１ユニット電圧Ｖｔ１が第１の電圧未満の場合には、ＳＲ－ＦＦ９４のリセット端子ＲＦ１にＬ信号を送出し、第１ユニット電圧Ｖｔ１が第１の電圧以上の場合には、ＳＲ－ＦＦ９４のリセット端子ＲＦ１にＨ信号を送出する。

　さらに、リセットＩＣ９３は稼働状態になると第２ユニット電圧Ｖｔ２を監視し、第２ユニット電圧Ｖｔ２が第１の電圧未満の場合には、ＳＲ－ＦＦ９５のリセット端子ＲＦ２にＬ信号を送出し、第２ユニット電圧Ｖｔ２が第１の電圧以上の場合には、ＳＲ－ＦＦ９５のリセット端子ＲＦ２にＨ信号を送出する。

　同様に、リセットＩＣ９７は稼働状態になると第３蓄電ユニット３３の電圧（以下では「第３ユニット電圧」と記す）Ｖｔ３を監視し、第３ユニット電圧Ｖｔ３が第１の電圧未満の場合には、ＳＲ－ＦＦ９８のリセット端子ＲＦ３にＬ信号を送出し、第３ユニット電圧Ｖｔ３が第１の電圧以上の場合には、ＳＲ－ＦＦ９８のリセット端子ＲＦ３にＨ信号を送出する。

　前述したように、第１の電圧は第１蓄電ユニット３１、第２蓄電ユニット３２および第３蓄電ユニット３３の定格電圧（すなわち満充電電圧）に設定することが好ましい。

　キャパシタＣｖへの充電が進み、キャパシタＣｖの端子間電圧Ｖｂが、制御回路を構成する各素子の最低動作電圧Ｖｍに達すると、制御回路全体が稼働状態になり、リセットＩＣ９１は、ＳＲ－ＦＦ９４、９５および９８のセット端子ＳＦ１～ＳＦ３にＨ信号を送出する。

　また、リセットＩＣ９２は、ＳＲ－ＦＦ９４のリセット端子ＲＦ１にＬ信号（すなわち第１ユニット電圧Ｖｔ１が第１の電圧に達していないという信号）を送出し、リセットＩＣ９３は、ＳＲ－ＦＦ９５のリセット端子ＲＦ２にＬ信号（すなわち第２ユニット電圧Ｖｔ２が第１の電圧に達していないという信号）を送出する。同様に、リセットＩＣ９７は、ＳＲ－ＦＦ９８のリセット端子ＲＦ３にＬ信号（すなわち第３ユニット電圧Ｖｔ３が第１の電圧に達していないという信号）を送出する。

　そして、上述の信号を受けたＳＲ－ＦＦ９４は、出力端子Ｑ１からスイッチＳ２をＯＮ（すなわち閉じる）にするＨ信号を送出し、Ｑ１の否定出力端子から論理積ＩＣのＡＮＤ回路９６と９９のそれぞれの１つの入力端子にＬ信号を送出する。

　また、ＳＲ－ＦＦ９５は、出力端子Ｑ２からＡＮＤ回路９６の１つの入力端子にＨ信号を送出し、Ｑ２の否定出力端子からＡＮＤ回路９９の１つの入力端子にＬ信号を送出する。さらにＳＲ－ＦＦ９８は、出力端子Ｑ３からＡＮＤ回路９９の１つの入力端子にＨ信号を送出する。

　その結果、スイッチＳ２はＯＮ（すなわち閉じる）状態、スイッチＳ３とスイッチＳ４はＯＦＦ（すなわち開く）状態となるので、直流電流源１と第１蓄電ユニット３１がスイッチＳ２とダイオードＤ３を介して接続され、第１蓄電ユニット３１への充電が開始され、また、直流電流源１とキャパシタＣｖもスイッチＳ２とダイオードＤ２を介して接続される。すなわち、第１蓄電ユニット３１とキャパシタＣｖが直流電流源１と並列に接続される。

　しかし、直流電流源１と第１蓄電ユニット３１が接続された直後、すなわち第１蓄電ユニット３１への充電が開始された直後には、すでに充電が進行しているキャパシタＣｖの端子間電圧の方が、完全放電状態にある第１蓄電ユニット３１の電圧より高いので、キャパシタＣｖの端子間電圧Ｖｂと第１ユニット電圧Ｖｔ１が等しくなるまで、直流電流源１からの充電電流は第１蓄電ユニット３１へ流入する。そして第１蓄電ユニット３１への充電が進み、キャパシタＣｖの端子間電圧Ｖｂと第１ユニット電圧Ｖｔ１が等しくなった時点から、キャパシタＣｖと第１蓄電ユニットＶｔ１がほぼ同電圧を保ちながら充電が進行する。

　なお、第１蓄電ユニット３１と接続された直後の直流電流源１の出力電圧は、完全放電状態にある第１ユニット電圧（すなわち接地電位）Ｖｔ１より、スイッチＳ２の導通時の順方向電圧降下とダイオードＤ３の順方向電圧降下を加えた電圧Ｖｆだけ高い電圧になっており、リセットＩＣ８１の最低動作電圧は確保されるので、リセットＩＣ８１が動作を停止することはない。また、第２蓄電ユニット３２への充電はまだ行われていない。

（５）キャパシタＣｖと第１蓄電ユニット３１への充電の進行に伴って、キャパシタＣｖと第１ユニット電圧Ｖｔ１が上昇するので、直流電流源１の出力電圧Ｖｓも上昇する。直流電流源１の電圧Ｖｓがあらかじめ定められた第４の電圧に達したことをリセットＩＣ８１が検知すると、リセットＩＣ８１はスイッチＳ１をオフにする（すなわち開く）Ｈ信号を送出し、スイッチＳ１を介したキャパシタＣｖへの充電は停止される。その後は、オン（すなわち閉じた）状態にあるスイッチＳ２を介してキャパシタＣｖと第１蓄電ユニット３１が並列に充電される。

　なお、第４の電圧は、キャパシタＣｖの端子間電圧（出力電圧）Ｖｓが、制御回路の全てが稼働する最低動作電圧Ｖｍ（すなわち、一般的にはリセットＩＣの動作電圧より高いＳＲ－ＦＦの動作電圧）にＶｆを加えた電圧以上の電圧に設定されている。

　また、キャパシタＣｖに蓄積された電力は制御回路によって消費されるので、キャパシタＣｖの端子間電圧Ｖｂは低下するが、キャパシタＣｖと第１蓄電ユニット３１が並列接続されて直流電流源１から充電が行われているので、キャパシタＣｖの端子間電圧Ｖｂが第１ユニット電圧Ｖｔ１より低下すると、キャパシタＣｖへの流入電流量が増加して第１蓄電ユニット３１への流入電流量が減少し、結果的にキャパシタＣｖの端子間電圧Ｖｂと第１ユニット電圧Ｖｔ１は常にほぼ同電圧を保ちながら上昇する。なお、第２蓄電ユニット３２や第３蓄電ユニット３３への充電はまだ行われていない。

（６）キャパシタＣｖへの充電が進行し、キャパシタＣｖの端子間電圧Ｖｂがあらかじめ設定された第５の電圧に達すると、リセットＩＣ９１からＳＲ－ＦＦ９４、９５および９８のセット端子ＳＦ１～ＳＦ３にＬ信号が送出されるが、ＳＲ－ＦＦ９４、９５および９８の出力信号は変化せず、保持される。また、キャパシタＣｖへの充電は継続されている。

　なお、第５の電圧はキャパシタＣｖの蓄積電荷量が、電圧監視部９ｂ内の制御回路を、少なくとも有効日射時間が確保される１日と連続無日照保証日数であるｎ日間の合計（ｎ＋１）日間動作させることができる電力量に相当する電圧に設定されている。

　＜第１蓄電ユニット３１の充電から第２蓄電ユニット３２の充電へ＞
（７）第１蓄電ユニット３１への充電が進行し、第１ユニット電圧Ｖｔ１があらかじめ定められた第１の電圧に達する（すなわち満充電になる）と、リセットＩＣ９２はＳＲ－ＦＦ９４のリセット端子ＲＦ１へＨ信号（すなわち第１蓄電ユニット３１の満充電を知らせる信号）を送出する。一方、リセットＩＣ９１からＳＲ－ＦＦ９４のセット端子ＳＦ１へ送出されている信号はＬ信号なので、ＳＲ－ＦＦ９４の出力信号レベルが反転する。

（８）ＳＲ－ＦＦ９４の出力信号レベルが反転することにより、出力端子Ｑ１からはスイッチＳ２をオフ（すなわち開く）にするＬ信号が送出され、第１蓄電ユニット３１とキャパシタＣｖへの充電が停止される。また、否定出力端子Ｑ１からは、ＡＮＤ回路９６の一方の入力端子に対してＨ信号が送出され、ＡＮＤ回路９６の他方の入力端子にはＳＲ－ＦＦ９５の出力端子Ｑ２から変化なくＨ信号が送出されているので、スイッチＳ３がＯＮとなり（すなわち閉じる）、直流電流源１と第２蓄電ユニット３２がスイッチＳ３とダイオードＤ４を介して接続され、直流電流源１から第２蓄電ユニット３２への充電が開始される。

　＜第２蓄電ユニット３２の充電から第３蓄電ユニット３３の充電へ＞
（９）第２蓄電ユニット３２への充電が進み、第２ユニット電圧Ｖｔ２があらかじめ定められた第１の電圧に達する（すなわち満充電になる）と、リセットＩＣ９３はＳＲ－ＦＦ９５のリセット端子ＲＦ２へＨ信号（すなわち第２蓄電ユニット３２が満充電になったことを知らせる信号）を送出する。

（１０）リセットＩＣ９３から第２蓄電ユニット３２の満充電を知らせる信号を受け取ったＳＲ－ＦＦ９５は、出力端子Ｑ２からＡＮＤ回路９６の一方の入力端子に対してＬ信号を送出し、ＡＮＤ回路９６の他方の入力端子にはＳＲ－ＦＦ９４のＱ１の否定出力端子からＨ信号が送出されているので、ＡＮＤ回路９６の出力はＬ信号となり、スイッチＳ３はオフ（すなわち開く）となる。

　また、ＳＲ－ＦＦ９５のＱ２の否定出力端子からはＡＮＤ回路９９の第１の入力端子にＨ信号が送出され、ＡＮＤ回路９９の第２の入力端子にはＳＲ－ＦＦ９４のＱ１の否定出力端子からＨ信号が送出され、さらにＡＮＤ回路９９の第３の入力端子にはＳＲ－ＦＦ９８の出力端子Ｑ３からＨ信号が送出されているので、ＡＮＤ回路９９の出力はＨ信号となり、スイッチＳ４がオン（すなわち閉じる）になる。したがって、第２蓄電ユニット３２への充電が停止され、第３蓄電ユニット３３への充電が開始される。

　＜キャパシタＣｖの補充充電＞
（１１）第２蓄電ユニット３２または第３蓄電ユニット３３への充電が行われている間、第１蓄電ユニット３１とキャパシタＣｖへの充電は行われない。そのため、第１蓄電ユニット３１と並列に接続されているキャパシタＣｖの出力電圧Ｖｂは、電圧監視部９ｂ内のＡＮＤ回路９６と９９およびリセットＩＣ９１、９２、９３および９７、ならびにＳＲ－ＦＦ９４、９５および９８での電力消費により低下する。

（１２）キャパシタＣｖの出力電圧Ｖｂがあらかじめ定められた第４の電圧まで低下すると、Ｈリセット型のリセットＩＣ９１はその電圧低下を検出し、ＳＲ－ＦＦ９４、９５および９８のセット端子ＳＦ１～ＳＦ３に対してＨ信号（すなわちキャパシタＣｖの電圧低下検出信号）を送出する。

（１３）その結果、ＳＲ－ＦＦ９４の出力信号が再び反転するので、スイッチＳ２がＯＮ（すなわち閉じる）になり、スイッチＳ３とスイッチＳ４がＯＦＦ（すなわち開く）になるので、キャパシタＣｖと第１蓄電ユニット３１への充電が再開すると共に、第２蓄電ユニット３２または第３蓄電ユニット３３への充電が停止する。

　その後もキャパシタＣｖの出力電圧Ｖｂがあらかじめ定められた第４の電圧まで低下する度に、（５）～（１３）の過程を繰り返す。この動作により、直流電流源１から電力が供給されている期間、キャパシタＣｖの端子間電圧Ｖｂは、制御回路の動作を停止させることのない電圧に保たれ、また、第１ユニット電圧Ｖｔ１も常にあらかじめ定められた第３の電圧以上で、且つ第１の電圧以下に保たれる。なお、第３の電圧は実施の形態２と同様、少なくとも電力変換器４の許容入力電圧範囲の下限値以上の電圧に設定される。

　＜充電停止＞
（１４）第３蓄電ユニット３３への充電が進み、第３ユニット電圧Ｖｔ３があらかじめ定められた第１の電圧に達する（すなわち満充電になる）と、リセットＩＣ９７はＳＲ－ＦＦ９８のリセット端子ＲＦ３へＨ信号（すなわち第３蓄電ユニット３３が満充電になったことを知らせる信号）を送出する。

（１５）リセットＩＣ９７から第３蓄電ユニット３３の満充電を知らせる信号を受け取ったＳＲ－ＦＦ９８の出力信号Ｑ３は反転するので、ＡＮＤ回路９９からスイッチＳ４をＯＦＦにする（すなわち開く）信号が送出され、第３蓄電ユニット３３への充電が停止する。

　＜第２蓄電ユニット３２または第３蓄電ユニット３３から第１蓄電ユニット３１への電力供給＞
（１６）第３蓄電ユニット３３への充電停止後、第３ユニット電圧Ｖｔ３が第１ユニット電圧Ｖｔ１を上回ると、第３蓄電ユニットＶｔ３からダイオードＤ７を介して第１蓄電ユニット３１へと電力が供給される。

　なお、図２２では第２蓄電ユニット３２および第３蓄電ユニット３３の出力がそれぞれダイオードＤ５とＤ７を経由して第１蓄電ユニット３１に接続されているが、第１蓄電ユニット３１、第２蓄電ユニット３２および第３蓄電ユニット３３の出力を、それぞれダイオードＤ８（図示せず）とダイオードＤ５およびＤ７を経由して電力変換器に接続するようにしてもよい。また、第３ユニット電圧Ｖｔ３が第２ユニット電圧Ｖｔ２を上回ると、第３蓄電ユニット３３から逆流防止ダイオードを経由して第２蓄電ユニット３２へと電力が供給される構成としても良い。

　上記のように３個の蓄電ユニットを持つ独立型電源装置を構築する手法について述べたが、同様にして、４個以上の蓄電ユニットをもつ独立型電源装置を構築することができる。

　（実施の形態４）
　上述の実施の形態１～３では、単体あるいは複数個のキャパシタを並列接続した蓄電ユニットを用いた場合について説明した。しかし、負荷が高い電圧を必要とする場合や大きな電力量を必要とする場合する場合には、必要な電圧と蓄積電荷量を確保するために、複数個のキャパシタを直並列に接続した蓄電ユニットを用いなければならないことも多い。

　複数個のキャパシタを直並列接続して充放電効率を向上するための制御や、各キャパシタの過充電防止のための制御を施した蓄電ユニットについては、特開平１１－２１５６９５号公報を初めとして多くの制御方式が提案されている。

　このような蓄電ユニットを蓄電部に用いることにより、負荷が高い電圧を必要とする場合やさらに大きな電力量を必要とする場合に対しても、実施の形態１～３で述べた方法で独立型電源装置を構築することができる。

　しかし、上述のような蓄電ユニットには、蓄電ユニットが満充電になった場合、過充電防止のための過充電保護回路を備えているものも多いので、本実施の形態では、実施の形態
１～３で述べた手法に上述の蓄電ユニットを用いる場合の変更点について説明する。

　満充電電圧がキャパシタ単体の定格電圧より高い上記のような蓄電ユニットを蓄電部に用いる場合、当然、開放電圧の高い直流電流源が必要となる。したがって、実施の形態１～３で示した電圧監視部内の論理積ＩＣおよびリセットＩＣやＳＲ－ＦＦ（セット・リセット・フリップフロップ）が破壊しないように配慮する必要がある。

　なお、上述のような満充電電圧の高い蓄電ユニットを蓄電部に用いる場合であっても、実施の形態１～３で述べた電圧監視部内の制御回路への電源を供給するキャパシタＣｖの定格電圧は、蓄電ユニットの出力電圧より低くて良いので、キャパシタ単体あるいは複数個のキャパシタを並列接続した構成で良い。

　また、以下では上述の蓄電ユニットが、それぞれ満充電になったことを知らせる信号（以下では満充電信号と記す）を出力する機能を備えているものとし、この満充電信号の電圧レベルは、実施の形態１～３で示した電圧監視部内の各ＳＲ－ＦＦの入力信号レベルの信号と同様であるとする。

　したがって、電圧監視部９または９ｂ内の制御回路の電源用キャパシタＣｖの満充電監視用リセットＩＣ（図１８または図２２中のリセットＩＣ９１）以外の電源監視部内のリセットＩＣ（すなわち、蓄電ユニットがそれぞれ満充電になったことを判断する電源監視部内の各リセットＩＣ）が不要である場合について説明する。

　蓄電部３ａまたは３ｂに上述の蓄電ユニットを用いた独立型電源装置の構成を図２３に示す。図２３（ａ）は、蓄電部が第１蓄電ユニット３１と第２蓄電ユニット３２から構成される実施の形態２に対応した例を、図２３（ｂ）は、蓄電部が第１蓄電ユニット、第２蓄電ユニット１および第３蓄電ユニットから構成される実施の形態３に対応した例を示している。

　図２３（ａ）、（ｂ）のいずれの独立型電源装置においても、図１８、図２２中に記されたキャパシタＣｖは、電圧監視部９内に設けられており、その充電過程は実施の形態２または３で述べた内容と同様である。

　図２３（ａ）の独立型電源装置では、第１蓄電ユニット３１が満充電になると、第１蓄電ユニット３１は電圧監視部９へ満充電信号を送出し、その満充電信号を受けた電圧監視部９は、第１蓄電ユニット３１への充電を停止し、第２蓄電ユニット３２への充電を開始するようにスイッチ部８へスイッチ切り換え信号を送出する。

　図２３（ｂ）の独立型電源装置では、第１蓄電ユニット３１が満充電になると、第１蓄電ユニット３１は電圧監視部９へ満充電信号を送出し、その満充電信号を受けた電圧監視部９は、第１蓄電ユニット３１への充電を停止し、第２蓄電ユニット３２への充電を開始するようにスイッチ部８へスイッチ切り換え信号を送出する。さらに、第２蓄電ユニット３２が満充電になると、第２蓄電ユニット３２は電圧監視部９へ満充電信号を送出し、その満充電信号を受けた電圧監視部９は、第２蓄電ユニット３２への充電を停止し、第３蓄電ユニット３３への充電を開始するようにスイッチ部８へスイッチ切り換え信号を送出する。

　以下では、蓄電部３ａまたは３ｂに上述の蓄電ユニットを用いた独立型電源装置において、実施の形態２または３と異なる点について具体的に説明する。図２４に、本実施の形態にかかる独立型電源装置の構成の一例を示す。図２４に示す独立型電源装置では、図１８の電圧監視部９が電圧監視部９ｃに置き換えられている。

　実施の形態２の第１蓄電ユニット３１と第２蓄電ユニット３２に、キャパシタ単体の定格電圧より満充電電圧の高い蓄電ユニットを用いた場合には、実施の形態２より高い電圧の直流電流源が必要となる。そこで図２４に示すように、リセットＩＣ８１の電源端子ＶＤと入力端子ＶＩに分圧抵抗Ｒ０１、Ｒ０２、Ｒ１、Ｒ２を挿入し、適切な動作電圧がリセットＩＣ８１の電源に印加されるようにする必要がある。

　また、図１８中のリセットＩＣ９２および９３は不要となり、図２４では、図１８の第１蓄電ユニット３１に相当する蓄電ユニットと第２蓄電ユニット３２に相当する蓄電ユニットから、電圧監視部９ｃ内の対応する各ＳＲ－ＦＦ（ＳＲ－ＦＦ９４および９５）のリセット入力端子に直接、満充電信号が送出されるようになっている。

　一方、電源用キャパシタＣｖはキャパシタ単体あるいは複数個のキャパシタを並列接続して構成しており、その端子間電圧が直流電流源１の出力電圧より低い値になるため、入力側に抵抗ＲとツェナーダイオードＺＤからなるリミッタ回路を接続して入力電圧を低減させている。

　なお、図２４では、リセットＩＣ８１およびリセットＩＣ９１の遅延容量接続端子に接続されるキャパシタや接地端子は図示されていない。また、図１８との違いを明確にするために、リセットＩＣ８１の電源端子と入力端子に接続される分圧抵抗は示したが、リセットＩＣ９１の入力端子に接続される分圧抵抗は図示していない。

　以上説明したように、蓄電部３ａまたは３ｂを、優先順位が設定された２個以上の蓄電ユニットで構成し、余剰電力を第２蓄電ユニット以下の蓄電ユニットに蓄積することにより、長期間の連続無日照保証日数を実現することができる。したがって、冬季には日照時間が殆どなく、夏季の日照時間は十数時間となる北欧等の高緯度地域では、従来は太陽電池を用いた独立型電源装置を用いることは困難であったが、本発明の独立型電源装置を用いることにより、夏季に太陽電池で発電した電力を蓄積しておき、冬季にその電力を利用することも出来る。

　なお、本発明の独立型電源装置は、独立型電源装置として用いるのではなく、直流電流源として、系統電力を整流して直流電流源化した電源を用いることにより、停電や災害時に系統電力が供給されなくなった場合のバックアップ電源として用いることもできる。

　　１　直流電流源
　　３ａ、３ｂ　蓄電部
　　４　電力変換器
　　５　負荷
　　８、８ｂ　スイッチ部
　　９、９ｂ、９ｃ　電圧監視部
　３１、３２、３３　蓄電ユニット
　８１、９１、９２、９３、９７　リセットＩＣ
　９４、９５、９８　ＳＲ－ＦＦ
　９６、９９　ＡＮＤ回路
　Ｃｖ　電源用キャパシタ
　Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６、Ｄ７　ダイオード
　Ｒ、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ０１、Ｒ０２　抵抗
　Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４　スイッチ
　ＺＤ　ツェナーダイオード

Claims (10)

1. 　直流電流源から供給される電力を電気二重層キャパシタに蓄積する独立型電源装置であって、
   　前記電気二重層キャパシタを複数含む少なくとも２個の蓄電ユニットで構成され、これら蓄電ユニットの定格電圧は等しく、かつ蓄電ユニット間に優先順位が定められた蓄電部と、
   　複数のスイッチで構成され、前記直流電流源と前記複数の蓄電ユニットとを選択的に接続するスイッチ部と、
   　前記少なくとも２個の蓄電ユニットの電圧を検出し、その電圧に従って前記スイッチ部の接続状態を切り換える電圧監視部と、を備え、
   　前記電圧監視部は、
   　　前記少なくとも２個の蓄電ユニットのうち優先順位の高い第１の蓄電ユニットを、前記スイッチ部を介して前記直流電流源に接続し、
   　　前記第１の蓄電ユニットに前記直流電流源から電力が供給されて電圧があらかじめ設定された第１の電圧になったとき、前記スイッチ部の接続状態を切り換え、次に優先順位の高い第２の蓄電ユニットを前記直流電流源に接続することを特徴とする独立型電源装置。
2. 　前記電圧監視部は、電力が蓄積された前記第１の蓄電ユニットの電圧が放電によりあらかじめ設定された第３の電圧になったとき、前記スイッチ部の接続状態を切り換え、再び前記第１の蓄電ユニットを前記直流電流源に接続することを特徴とする、請求項１に記載の独立型電源装置。
3. 　前記少なくとも２個の蓄電ユニットの静電容量は同一であることを特徴とする、請求項１に記載の独立型電源装置。
4. 　前記電圧監視部は、
   　　前記少なくとも２個の蓄電ユニットの電圧を検出すると共に、前記スイッチ部のスイッチを切り換えるための制御信号を出力する制御回路と、
   　　電気二重層キャパシタで構成され、前記制御回路に電力を供給する電源と、を備え、
   　前記電源は、前記スイッチ部を介して前記直流電流源に接続され、前記直流電流源から電力が供給されることを特徴とする、請求項１に記載の独立型電源装置。
5. 　前記電圧監視部は、前記スイッチ部の接続状態を切り換えて前記電源の充電を停止した後、前記電源の電圧が放電によりあらかじめ設定された第４の電圧になったとき、前記スイッチ部の接続状態を切り換え、再び前記電源を前記直流電流源に接続することを特徴とする、請求項４に記載の独立型電源装置。
6. 　前記蓄電部から出力された電力を、所定の電圧の直流電力または交流電力に変換する電力変換器を更に備えたことを特徴とする、請求項１に記載の独立型電源装置。
7. 　前記第１の蓄電ユニットと第２の蓄電ユニットは直列に接続され、前記第２の蓄電ユニットから出力された電力が前記第１の蓄電ユニットに供給され、前記第１の蓄電ユニットから出力された電力が前記電力変換器に供給されることを特徴とする、請求項６に記載の独立型電源装置。
8. 　前記第１の蓄電ユニットと第２の蓄電ユニットは並列に接続され、前記第１の蓄電ユニットから出力された電力または前記第２の蓄電ユニットから出力された電力が、選択的に前記電力変換器に供給されることを特徴とする、請求項６に記載の独立型電源装置。
9. 　前記電圧監視部の電源の前段に、入力電圧を制限するリミッタ回路が接続されていることを特徴とする、請求項４に記載の独立型電源装置。
10. 　前記制御回路は、複数のリセットＩＣ、複数のセット・リセット・フリップフロップおよび少なくとも１つのＡＮＤ回路で構成されることを特徴とする、請求項４に記載の独立型電源装置。

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