JP2010178682A

JP2010178682A - 植物工場

Info

Publication number: JP2010178682A
Application number: JP2009025523A
Authority: JP
Inventors: Motohiro Nakahara; 中原基博
Original assignee: NAKAHARA KODENSHI KENKYUSHO KK
Current assignee: NAKAHARA KODENSHI KENKYUSHO KK
Priority date: 2009-02-06
Filing date: 2009-02-06
Publication date: 2010-08-19

Abstract

【課題】
人工光を利用して照明する従来の植物工場は、栽培植物と同じ場所、同じ環境に光源を設置していた。このため、光源の性能、信頼性が低下したり、故障の際に光源を交換するのが困難であり、信頼性、保守性、経済性に問題があった。
【解決手段】
光源と植物を別の部屋に分離し、光源は集約して設置し、光源からの光を光ファイバで植物栽培の場所に導くようにした。これによって光源は光源に適した環境で動作させることが可能となり、故障の際に光源を取替える保守作業も容易になる。
【選択図】図２

Description

本発明は人工光を照明として使用し植物を栽培する植物工場において、光源の信頼性が高く、保守が容易でしかも経済的で省エネルギ化を可能とする植物工場に関するものである。

野菜などの農産物を屋外の畑などで栽培する場合、その育成度は天候に左右され易く、台風、大雨などの被害または病害虫による被害などのため収穫量が減少することがある。またこれらの農産物の栽培には広い土地面積が必要となるため、狭隘な土地では十分な耕作面積を確保することが困難なる。

このため最近では工場内で人工的にこれらの農産物を栽培する技術が開発され植物工場として知られている。植物工場では、植物は光合成によって成長するため、太陽光に代わる光を植物に照射することが最も重要になる。近年では非特許文献１に記載されているように、LEDの性能が向上してきておりLED光の照明によって野菜を地下室やビルあるいは工場内で栽培する試みが盛んに行われている状況にある。

LEDを使用して野菜を栽培する場合、例えばまず縦10m、横10mの棚に野菜の株を均等に置く。その株の数10cm上部にLED光源を約30cm間隔で均等に据付ける。縦、横おのおの10mの棚の場合、据え付けるLED光源は縦約33個、横約33個、合計約1,000個以上になる。この棚を仮に立体的に10段重ねたとした場合約10,000個以上のLED光源が必要となる。野菜の苗、株などの供給および成長した野菜の収穫はベルトコンベアなどで自動的に行われる。

このような植物工場の配置模式図を図１に示す。ここで１は棚、２は栽培用トレンチ、3はLED光源である。図1では平面的に1段の棚を示した。実際にはこのような棚が高さ方向に10段程度積層され全体として植物工場を形成している。栽培用トレンチには栄養分を含む水が注入され植物の株などが置かれている。非特許文献１に記載されているように、このような設備によって非常に大量の野菜を天候、病害虫被害などに左右されず栽培できることになる。

『ＬＥＤ光源、植物工場ハンドブック』東海大学出版会、１９９７年

このように多数のLED光源を棚の天井に敷き詰め、さらにこの棚を多段に重ねた植物工場設備によって屋内での水耕栽培が可能となるが、これら設備の実際の稼動に際しては以下のような解決すべき課題があった。

まず、LED光源の一つが故障した場合、LED光源は植物工場内で縦横高さ方向に3次元的に敷きつけられ、しかもその設置場所は極めて狭隘であるため、10,000個以上の多数のLED光源の中から故障したLEDを検知し、そのLED光源を手作業で取り替えることはきわめて困難であった。

一般的にはLEDは長寿命化しているものの、植物工場の内部は高温多湿の環境である。LEDの寿命はこのような環境での連続使用では短くなる。また、LEDの発光効率は温度が上昇すると一般的には低下し高温多湿環境では寿命も短くなる。

この問題を避けるためLED光源を水冷するほう方法や気密封止する方法などがあるが設備が大掛かりとなり経済的にも欠点があった。

あるいは、LEDに加える電流値を小さくし発光出力を制限して寿命や発熱の問題を避ける方法もあるが、この場合には十分な照射光強度が得られず植物の生育にとって好ましくない問題があった。

さらに別の解決すべき課題として、照射する光の波長の問題がある。植物の成長には赤色の光が有効であると考えられているが、植物はその成長過程では他の波長の光も必要としている研究結果も報告されている。発芽期や結実期などで赤色以外の波長も必要となれば、それぞれの成長過程に応じて最適な光を照射しなければならない。

各波長のLED光源を植物工場の中に密に設置するとなると設置スペースが不足するとともに、LED光源の数が数倍になりさらに故障率は増える。このためLED光源が故障した場合の取替え頻度は増加し、保守作業はさらに大変なものになってくるという問題があった。

従来技術での課題を解決するため本発明では、LED光源などの光源部を植物の生育箇所から分離した場所にある光源室に集約して設置し、LED光源の光を光ファイバで、栽培する植物の上まで導き照明する手段を用いた。

つまりLED光源は植物を栽培している高温多湿の環境の中ではなく、LED光源にとって最も良い温度、湿度に設定された光源室に置かれる。また植物はLED光源とは独立した、植物にとって最も環境が良い栽培室に置かれる。光源室と栽培室は光ファイバで結ばれている。

多数のLED光源は光源室で整然と並んでおり、故障の際にはどのLED光源が故障しているのかは簡単にわかる。故障したLED光源を取り替えるにも単純な作業ですむことになる。また光源室の環境はLED光源にとって最適化されているため、光出力が最大になるまで電流を流すことも可能となる。

また、LED光源と光ファイバの間に、光を分岐する光スプリッタを挿入すれば分岐数だけLED光源の数を減らすことができその分故障率も減少する。
さらに光ファイバの本数も減らせることになる。

波長の異なるLED光源を追加したとしても光源室が大きくなるだけであり植物が生育している箇所にはなんらの影響をあたえるものではない。波長の異なるLED光源からの光を同じ光ファイバに入射させることは、LED光源と光ファイバの間に光切替スイッチを挿入すれば可能となる。

本発明ではLED光源の光だけでなく、太陽光も光ファイバ中に入射させれば太陽光がある時間帯は太陽光を利用し、太陽光がなくなった時間帯だけLED光源を用いることも可能となる。

このようにして各種光源の光は光ファイバで植物工場内部に導入され植物に照射される。光ファイバは通信にも使用されているほど高信頼であり、植物が生育する環境の温度湿度程度では切断したり、光伝送損失が増加したりすることもない。また光源室から植物工場までの距離は通常は数十m程度であるためその間に光はほとんど減衰することなく照射される。

特に光ファイバとしてNAの大きなものを使用すればLEDとの光結合効率は非常に良く、ほとんど損失なしでLED光源からの光を植物に照射できることになる。

本発明では、光源部を光源室に、農産物を栽培する場所は栽培室に分離したため、LED光源の寿命が延びるとともに、万一LED光源が故障した際の取替えや保守が容易となりその経済的効果は大きい。また、LED光源の性能を最大限に発揮させることもでき植物工場の能力を高めることができるようになる。

さらに太陽光も併用することも可能であるためエネルギコストは下がり環境負荷も半減する。

光源部にはLED光源以外にもレーザ装置等多種類の光を光ファイバに入射させることも可能となるため種々の波長で植物を栽培することができ、各植物に応じた最適な環境を作ることができ、植物工場としての機能的な効果も極めて大となる。

従来の植物工場の模式図。本発明による植物工場の模式図（実施例１）。光スプリッタを用いた植物工場模式図（実施例2）。光スイッチと光スプリッタを用いた植物工場模式図（実施例3）。

図２は本発明による植物工場の模式図を示したものである。ここで４は光源室、5は栽培室、６は光ファイバである。図２では1段の棚のみを示したが実際には同様な棚が高さ方向に10段一定の間隔で積層された。また、光ファイバも1行のLED光源と結合されている場合のみが図示されている。

光源室には従来技術の場合と同数のLED光源が置かれ、各LED光源に光ファイバが結合されて栽培室に導入された。光ファイバの本数もLED光源の数と同じだけ用いた。光源室は空調されLEDの発熱がLEDの寿命に影響しないようにした。

実施例１ではコアに石英ガラスを使用した空気クラッド光ファイバを用いた。空気クラッド光ファイバの開口数NAは大きくLED光源からの出射光を効率良く入射させることができた。空気クラッド光ファイバのもう一つの別の出力側端面は栽培室内部において、２のトレンチの約30cm上部に固定された。

LEDは環境が良好な部屋で動作しているためほとんど故障しなかったが、まれに故障した場合においても通常の電気的工事と同じ感覚で難なくとりかえることができその保守性は飛躍的に向上した。またLEDへの供給電流は定格最大値まで流すことができ発光出力最大で長時間運転することができた。

図３は光スプリッタを用いた植物工場模式図である。ここで７は1x2分岐の光スプリッタ、８は１ｘ４分岐の光スプリッタである。図３では７、８の光スプリッタを用いて1個のLED光源からの光が8本の光ファイバから出射される場合を示している。

本実施例では、全体として植物に照射される光量は実施例１の場合と同じではあるが、LED光源の数は分岐数だけ少なくてすむことになる。また光ファイバの本数も減り、使用光ファイバ長さは極めて短くて済むことになる。LED光源の数が減少することは経済的効果が大きいだけでなく、保守性を考えた時に非常に大きなメリットがある。

本実施例ではLED光源を使用した場合を開示したが、光源はLEDのみでなく、レーザなど他の光源を使用しても本発明の範囲を越えるものではない。また７、８などの光スプリッタもその分岐数や分岐原理はどのようなものでも良い。

図４は光スイッチと光スプリッタを用いた植物工場模式図を示す。ここで９はYAGレーザ、10はレンズ系、11は非線形光学結晶、12は光スイッチである。

９のYAGレーザの光は10のレンズ系で集光され11の非線形光学結晶に入射される。YAGレーザの光は1060nmであるが、11の非線形光学結晶からの出力光は530nmの緑色になっていた。LED光源としては赤色を用いた。

これらの緑と赤の光を12の光スイッチで切り替えて光ファイバで栽培室に導入し植物に照射した。12の光スイッチでの切り替えは、朝と夕方でも良いし、非常に短時間の光パルスとして切り替え交互に緑と赤を照射することも行った。

赤色のLED光源とは別の波長として本実施例ではYAGレーザを用いたが、赤色以外の波長に関してはYAGレーザに限らず他の波長で発振する個体レーザ、半導体レーザ、ファイバレーザ、ガスレーザでもよく、また太陽光を１２の光スイッチに導いても良い。太陽光を使用したときには昼間はLED光源を消灯するか、出力を落とし、太陽光も合わせて植物に照射可能となるため、LED光源などの電力消費を抑えることができた。

１棚
２トレンチ
３ LED光源
４光源室
５栽培室
６光ファイバ
７１ｘ２光スプリッタ
８１ｘ４光スプリッタ
９ YAGレーザ
10 レンズ系
11 非線形光学結晶
12 光スイッチ

Claims

人工光によって植物を栽培する植物工場において、人工光を発生する光源は、植物を栽培する場所から分離した別の場所に集約されて設置されており、前記光源からの光は光ファイバの一つの入力側端部に入射されるようにし、前記光ファイバの別の出射側端部は植物を栽培する場所に導かれており、前記光ファイバの出射側端部からの光によって植物を人工的に照明するようにしたことを特徴とする植物工場。
請求項１に記載の光源は、LED、又はレーザ、又はレーザ光を非線形光学現象を利用して波長変換した光、又は太陽光の内少なくとも1種類の光であることを特徴とする植物工場。
請求項1に記載の光ファイバは、空気クラッド光ファイバであることを特徴とする植物工場。
請求項1に記載の光ファイバは、光を分岐する光スプリッタに結合されていることを特徴とする植物工場
請求項１に記載の光源として2種類以上を使用する際に、前記光源と光ファイバの間に光切り替えスイッチを挿入することを特徴とする植物工場。