JP2012161244A - 植物育成光源ユニットおよび植物育成システム - Google Patents

Abstract

【課題】 植物の育成において、十分な光量の供給、光量や波長の微妙な調整が可能であり、かつ、メンテナンス性も良い植物育成光源ユニットを提供すること。
【解決手段】 成長促進光を発する光源部２と、成長促進光を透過させる窓部材３１を含む光透過部３と、を備え、光源部２は、窓部材３１の主面上に配置され、電極板の対からなる平行平板電極対２３が窓部材の主面と平行な方向に複数対並べられた電極対列と、各平行平板電極対間に光源となるプラズマを発生させるための高周波を印加する高周波電源２２とを含む。
【選択図】図２

Description

この発明は、植物育成光源ユニットおよび植物育成システムに関する。

人工光型植物工場では、光源として蛍光灯やナトリウムランプ、ハイブリッド電極蛍光管（ＨＥＦＬ）、最近では発光ダイオード（ＬＥＤ）などが用いられている。基本的には白色光源で栽培しているが、植物には、その育成を推進する最適な波長域の光がある。

例えば、特許文献１には、植物や微生物等の好む若しくは必要とする最適な波長域の光を照射して、健全で効率の良い生物の育成を実現する生物育成用照明装置が記載されている。

また、特許文献２には、赤色ＬＥＤや青色ＬＥＤの組み合わせにより、植物の育成を推進する特定波長を得る技術が記載されている。

特開平６−７０６４３号公報 特開２０１０−２００７４６号公報

しかしながら、ＬＥＤの組み合わせでは、発光できる波長が固定されているために波長の微妙な調整が難しく、育成ステージにあわせた波長調整は実質不可能となることの他、植物ごとに最適波長の組み合わせがあるため、一度ユニット化した後の調整は困難であり、複数種の植物について使用できるような汎用性を持たせることも難しい。

また、発光強度についても十分なものとは言えず、現在は葉類の野菜の栽培については可能であるものの大光量を必要とする穀類の栽培については難しいものとなっている。

さらには、植物工場ユニットの大面積化を考えた場合や光源に不具合が生じた場合、メンテナンス性の悪さが懸念される。

この発明は、上記事情に鑑みて為されたもので、十分な光量の供給、光量や波長の微妙な調整が可能であり、かつ、メンテナンス性も良い植物育成光源ユニット、およびこの植物育成光源ユニットを備えた植物育成システムを提供する。

この発明の第１の態様に係る植物育成光源ユニットは、植物の成長を促進する成長促進光を照射する植物育成光源ユニットであって、前記成長促進光を発する光源部と、前記成長促進光を透過させる窓部材を含む光透過部と、を備え、前記光源部は、前記窓部材の主面上に配置され、電極板の対からなる平行平板電極対が前記窓部材の主面と平行な方向に複数対並べられた電極対列と、前記各平行平板電極対間に光源となるプラズマを発生させるための高周波を印加する高周波電源とを含む。

この発明の第２の態様に係る植物育成システムは、管理した環境下において植物を育成する植物育成システムであって、育成される植物を収容し、該植物を育成する植物育成部と、前記植物育成部に隣接して配置され、前記植物の成長を促進する成長促進光を発する光源部と、前記成長促進光を透過させる窓部材を含み、前記植物収容部と前記光源部との間に設けられた光透過部と、を備え、前記光源部は、前記窓部材の主面上に配置され、電極板の対からなる平行平板電極対が前記窓部材の主面と平行な方向に複数対並べられた電極対列と、前記各平行平板電極対間に光源となるプラズマを発生させるための高周波を印加する高周波電源とを含む。

この発明によれば、十分な光量の供給、光量や波長の微妙な調整が可能であり、かつ、メンテナンス性も良い植物育成光源ユニット、およびこの植物育成光源ユニットを備えた植物育成システムを提供できる。

図１Ａはこの発明の一実施形態に係る植物育成光源ユニットを備えた植物育成システムの一例を概略的に示す斜視図、図１Ｂは図１中の１Ｂ−１Ｂ線に沿う断面を示した斜視図 平行平板電極対の結線状態の一例を示す図 光源部の水平断面の一例を示す図 ＲＦパワーと光合成光量子束密度との関係を示す図 モニタリング装置を用いてガス種を変えることが可能な光源部の一例を示す平面図 エネルギリサイクルシステムの一例を示すブロック図 エネルギリサイクルシステムの一例をさらに詳細に示すブロック図

以下、添付図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。この説明において、参照する図面全てにわたり、同一の部分については同一の参照符号を付す。

図１Ａはこの発明の一実施形態に係る植物育成光源ユニットを備えた植物育成システムの一例を概略的に示す斜視図である。

図１Ａに示すように、植物育成システム１００は、育成される植物を収容し、該植物を育成する植物育成部１と、植物育成部１に隣接して配置され、植物の成長を促進する成長促進光を発する光源部２とを備えている。植物育成部１と光源部２との間には、光源部１から発せられた成長促進光を透過させる窓部材を含んだ光透過部３が設けられている。

植物育成部１には、内部の環境、例えば、温度、湿度、及び明るさなどをモニタするモニタリング装置１１、植物育成部１の内部に空気、又は温度調節された空気を送風する送風機１２、並びに植物育成部１に収容された植物に水を送る給水機１３が接続される。

光源部２は、プラズマ発光を利用して成長促進光を生成し、植物育成部２の内部に成長促進光を照射する。このため、光源部２には、真空ポンプ２１、並びにＲＦ電源（高周波電源）２２が接続される。

（光源部）
図１Ｂは図１中の１Ｂ−１Ｂ線に沿う断面を示した斜視図である。

図１Ｂに示すように、光源部２は、光透過部３の窓部材３１の主面上に配置された平行平板電極対２３を有する。そして、平行平板電極対２３を、窓部材３１の主面に平行な方向に複数並べ、平行平板電極対の列を形成することで、窓部材３１の主面に平行な方向に拡がった、大面積で一括照射が可能な発光体が得られる。図２に、平行平板電極対２３の結線状態の一例を、図３に光源部２の水平断面の一例を示す。

図２に示すように、平行平板電極対２３は、接地電位に接続された接地電極２３Ｇと、ＲＦ電源２２に接続された高周波印加電極２３Ｈとからなる。本例では、接地電極２３Ｇと高周波印加電極２３Ｈとを交互に配列する。接地電極２３Ｇと高周波印加電極２３Ｈとの間は、プラズマを発生させるプラズマ発生空間２４として構成される。接地電極２３Ｇと高周波印加電極２３Ｈとの離隔距離は様々な値を選定することが可能であるが、本例では８０ｍｍとした。隔離距離が大き過ぎるとプラズマの発生が困難になり、また、小さ過ぎると光源としての発光効率が低減することになるので、その間の隔離距離を選定することが望ましい。

図３に示すように、プラズマ発生空間２４の水平断面形状は、短軸、長軸を有した矩形状である。また、本例では、プラズマ発生空間２４の長軸方向の途中に誘電体部２５を設けている。誘電体部２５を長軸方向の途中に設けることで、プラズマ発生空間２４が長軸方向の途中で分断される。形状的にみれば、上記プラズマ発生空間２４を、長軸方向の途中で分断することで、プラズマ発生空間２４に発生する定在波を抑制でき、プラズマ発生空間２４の全域で均一なプラズマ発光させることが可能となる。例えば、プラズマ発生空間２４の長軸方向の長さとしては、５００ｍｍ以上１０００ｍｍ以下の範囲が、定在波の発生を抑制できる観点から好適である。なお、定在波が発生する虞がなければ、誘電体部２５は設けなくてもよい。

プラズマ発生空間２４の内部には、プラズマを発生させるためのガスが封入、又は供給される。プラズマを発生させるためのガスとしては、ヘリウムガス（Ｈｅ）、ネオンガス（Ｎｅ）、アルゴンガス（Ａｒ）、クリプトンガス（Ｋｒ）、及びキセノンガス（Ｘｅ）などの希ガスの他、水素ガス（Ｈ_２）、酸素ガス（Ｏ_２）、窒素ガス（Ｎ_２）、及び四フッ化炭素ガス（ＣＦ_４）などを挙げることができる。これらのガスは、単独で用いてもよいし、用途に応じて混合して用いてもよい。また、他の目的を有するこれら以外のガスと混合して用いてもよく、或いは、便宜上他のガスと混合状態にあっても、他のガスが植物の育成に支障を及ぼすもので無ければ、特には精製せずに他のガスと混合状態のまま用いてもよい。この中でも特に窒素は、プラズマ化したときに発する光に植物の育成に最適な波長域を含むと同時に、入手が容易で安価であり、大気中にも多量に含まれているため場合によっては大気を用いて発光させることも可能で、植物工場において発光源となるプラズマを生成するための原料ガスとしての実用性が高い。プラズマ発生空間２４の内部の圧力は、真空ポンプ２１により適宜調節される。

本例の光源部２はプラズマ発光型である。このため、平行平板電極対２３に印加するＲＦパワーを変えることで、光源部２が発する光量を植物の種類や育成ステージに応じて最適なものに変えることができる。

図４は、ＲＦパワーと光合成光量子束密度（Photosynthetic Photon Flux density：以下ＰＰＦと略記する）との関係を示す図である。図４に示す関係は、プラズマ発生の原料ガスとしての窒素ガスを流量一定でプラズマ発生空間２４に供給し、プラズマ発生空間２４の圧力を１２０ｍＴｏｒｒ、２００ｍＴｏｒｒ、及び６００ｍＴｏｒｒにそれぞれ調整した場合の関係である。ＰＰＦは、プラズマ発生部から約１５ｃｍ付近の値である。

図４に示すように、プラズマ発生空間２４の圧力に関わらず、印加するＲＦパワーを上昇させるとＰＰＦ（光量）が上がる傾向を示す。図４に示す例では、プラズマ発生空間２４の圧力が１２０ｍＴｏｒｒの場合、０．５ｋＷ〜１．５ｋＷの範囲でＲＦパワーを変化させると、ＰＰＦは５５μｍｏｌ ｍ^−２ｓ^−１〜１８０μｍｏｌ ｍ^−２ｓ^−１の範囲で変化させることができる。同様にプラズマ発生空間２４の圧力が２００ｍＴｏｒｒの場合、０．５ｋＷ〜１．８ｋＷの範囲でＲＦパワーを変化させると、ＰＰＦは４５μｍｏｌ ｍ^−２ｓ^−１〜２２５μｍｏｌ ｍ^−２ｓ^−１の範囲で変化、プラズマ発生空間２４の圧力が６００ｍＴｏｒｒの場合、０．５ｋＷ〜１．８ｋＷの範囲でＲＦパワーを変化させると、ＰＰＦは２５μｍｏｌ ｍ^−２ｓ^−１〜１２５μｍｏｌ ｍ^−２ｓ^−１の範囲で変化する。

このように、光源部２は、ＲＦパワーを調整することで簡単に光量を調整することができる。しかも、光量の調整幅も大きいことも利点の一つである。ちなみに、蛍光灯の場合、発光部から５ｃｍ付近のＰＰＦは２００μｍｏｌ ｍ^−２ｓ^−１、１０ｃｍ付近のＰＰＦは１３０μｍｏｌ ｍ^−２ｓ^−１、２０ｃｍ付近のＰＰＦは９０μｍｏｌ ｍ^−２ｓ^−１である。

また、図４に示すように、プラズマ発生空間２４内の圧力を高くすると、ＰＰＦ（光量）が減じられる傾向があることが理解できる。このため、ＰＰＦ（光量）を低く抑えたい場合には、プラズマ発生空間２４内の圧力を高くすると良い。反対にＰＰＦ（光量）を高くしたい場合には、プラズマ発生空間２４内の圧力を低くすると良い。

このように、光源部２は、プラズマ発生空間２４の圧力を調整することでも、光量を調整することができる。

光量と同様に、波長についても、植物の種類や育成ステージに応じて、好適な、あるいは育成を促進させる波長域がある。このため、光源部２が発する光の波長は、育成する植物の種類、及び植物の育成ステージの少なくともいずれかに応じて設定されるのが良いが、従来用いられてきた蛍光灯型やＬＥＤなどの光源では波長に応じて光源を交換しなければならなかった。しかし、本例の光源部２は、光源部２を交換しなくても、プラズマ発生空間２４に封入、又は供給するガス種を変えるだけで、光の波長を変えることができる。

しかも、光源部２を交換しなくても光の波長を変えることができるので、例えば、モニタリング装置１１を用いて植物の育成ステージ、例えば、発芽、苗、成株などを識別し、各ステージに応じて自動的にプラズマ発生空間２４に封入、又は供給するガス種を変えて光の波長を変えたり、ＲＦパワーやプラズマ発生空間２４の圧力を変えて光量を変えたりすることも可能である。

モニタリング装置１１を用いてガス種を変えることが可能な光源部２の一例を図５に示す。

図５に示すように、ガス供給部２６からガスを供給するガス供給管２６ａを、プラズマ発生空間２４の一端に接続し、他端にガス排気管２６ｂを接続する。ガス排気管２６ｂはガス排気部である真空ポンプ２１に接続し、真空ポンプ２１を用いてプラズマ発生空間２４からガスを、ガス排気管２６ｂを介して排気する。

モニタリング装置１１は、光源部２の下にある植物育成部１内の植物の状態をモニタする。例えば、発芽ステージにおいて植物が発芽したら、育成ステージに好適、又は育成を促進させる波長となるように、ガス供給部２６のバルブＶ（Ｖ１〜Ｖ９）を制御して選ばれたガスをプラズマ発生空間２４に向けて流す。これとともに、真空ポンプ２１を動作させてプラズマ発生空間２４に元来あったガスは排気する。これによりプラズマ発生空間のガスは、前のステージ、例えば発芽ステージのガスが、新たなステージ、例えば育成ステージのガスに置き換わり、新たなステージのガスのプラズマからの発光により新たなステージに適した波長を有する光を供給することができる。

この際、ガス種ばかりでなく、光量も変えたい場合には、ＲＦパワー、又は排気量の少なくともいずれかを調整すれば光量も変えることができる。

また、育成ステージの中においても、芽から苗に成長した際、さらに、苗から成株に成長した際にも、同様に波長や光量を変えるようにしても良い。

このような光源部２を備えた植物育成光源ユニットによれば、
（１） ＬＥＤ型光源や蛍光灯のように点光源や線光源の集積型ではなく、大面積一括照射型の発光体となるので、不良光源のメンテナンスが容易である、
（２） 光量や波長の調整がＲＦパワー、プラズマ発生空間２４の圧力、プラズマ発生空間２４に封入、又は供給するガス種を変えるだけで調整できる。しかも、波長はガス種により大きく変化させることが可能である、
（３） 高い光量も得ることができるので、穀物や豆類の育成も可能になる、
といった利点を得ることができる。

したがって、十分な光量の供給、本実施形態によれば、光量や波長の微妙な調整が可能であり、かつ、メンテナンス性も良い植物育成光源ユニットを得ることができる。

なお、図５の構成に関してガス供給部及びガス排出部によりガスの入れ替えを行うことの上記の説明は、ガスの入れ替え後はガスを封止することを前提としているが、ガスを封止すること無くガスの供給と排出を同時に行い流れるガスによってプラズマを発生させても良い。この場合、ガスの供給流量若しくはガスの排出速度あるいはその両方を制御して連続的に変化させることにより、圧力や、複数のガスを混合した場合のガス種の比率などを連続的に変化させることができ、光の強度や波長域を連続的に変化させながら植物に光を照射することができる。特に光に周期的な連続変化を短い周期で与える必要があるときには好適である。

（植物育成部）
次に、植物育成システムが備える植物育成部１を説明する。

図１Ｂに示すように、植物育成部１の植物を収容して育成する植栽室１４の内壁には光電変換装置、本例では光電池パネル１５が取り付けられている。植物育成システム１００は、光源部２から発せられた光（余剰光量）を光電池パネル１５を用いて回収し、電力を発生させる。発生させた電力は、外部から供給される電力と系統連系させる。これにより、植物育成システム、及びこの植物育成システムを備えた植物工場全体の省電力化を図る。

さらに、本例では、回収効率を更に高めるために、平行平板電極対２３の、窓部材３１とは反対側にも光電池パネル１６を取り付け、植栽室１４以外に照射されてしまうような光も回収するようにしている。

図６は、植物育成システム１００が備えるエネルギリサイクルシステムの一例を示すブロック図である。

図６に示すように、光源部２から発せられた光は、光電池パネル１５、１６に照射される。光電池パネル１５、１６に光が照射されると直流電力（ＤＣ）が発生する。直流電力はパワーコンディショナ４１に供給される。パワーコンディショナ４１は、供給された直流電力を、外部から供給される電力と同じ交流電力（ＡＣ）に変換する。変換された交流電力は分電盤４２に供給され、ここで外部電力（ＡＣ）と系統連系される。分電盤からの交流電力は、光源部２に付随する真空ポンプ２１やＲＦ電源２２の電力、パワーコンディショナ４１の電力として使用される。なお、電力の再利用先の機器等が直流により作動するものである時は、光電池パネルで発生した直流電力を、前記のパワーコンディショナを経由せずに直接これらの機器に、単独あるいは外部から入力された直流電力と共に供給してもよい。

図７は、植物育成システム１００が備えるエネルギリサイクルシステムの一例を、さらに詳細に示すブロック図である。

分電盤４２からの交流電力は、さらに、モニタリング装置１１、送風機１２、給水機１３などの植物育成システムに付随する設備の電力や、光源部２や、これらの付随する設備を制御するコントローラ４３の電力や、工場内の電力としても使用される。

このように、光源部２から発せられた光を回収して電力を発生させることで、植物育成システム、及びこの植物育成システムを備えた植物工場全体の省電力化を図ることができる。省電力化が図られると、環境面に優れた植物工場となるとともに、育成される植物の生産コストの低減にも貢献できる。

また、光源部２は光とともに、熱を発する。植物育成システム１００は、この熱もリサイクルする。

図１Ｂに示すように、光源部２を収容する外箱２７には、光源部２を冷却する冷却水が流れる水冷管２８が形成されている。植物育成システム１００は、水冷管２８を流れる冷却水を植栽室１４の空調に利用する。具体的には、図７に示すように、水冷管２８をヒートポンプ式空調設備５１に接続し、ヒートポンプ式空調設備５１にて熱交換により温調された空気を送風機１２に送る。これにより、植物育成部１の植栽室１４内を冷房する。もちろん、冷房ばかりでなく、暖房を行うことも可能である。

以上、この発明を一実施形態に従って説明したが、この発明は、上記一実施形態に限定されることは無く、種々変形可能である。また、この発明の実施形態は、上記一実施形態が唯一の実施形態でもない。

例えば、上記一実施形態においては、植物育成部１を一つとしたが、植物育成部１を複数設けることもできる。

植物育成部１を、複数設けた場合には、例えば、半分の植物育成部１は昼設定（光源オン）、残りの半分の植物育成部１は夜設定（光源オフ）として、昼、夜並列処理することも可能である。昼、夜並列処理することによる利点は、高周波電源を常時動作させることができ、高周波電源の稼働効率を向上できることである。

また、上記一実施形態では、温度など生育環境の全てを完全に管理した室内での栽培における光源ユニットの使用について説明したが、露地栽培を行っている野菜などに対し補助的にあるいは夜間に育成促進用の光を供給するための光源として用いてもよい。この場合でも、太陽電池パネルを設けて余剰の発光を電力に変換すれば、夜間において霜除けの送風機を作動させることなどに活用でき、部分的に生育環境を管理した生育システムとすることができる。
その他、この発明はその要旨を逸脱しない範囲で様々に変形することができる。

１…植物育成部、２…光源部、２２…高周波電源、２３…平行平板電極対、２４…プラズマ発生空間、２５…誘電体部。

Claims (8)

1. 植物の成長を促進する成長促進光を照射する植物育成光源ユニットであって、
   前記成長促進光を発する光源部と、
   前記成長促進光を透過させる窓部材を含む光透過部と、を備え、
   前記光源部は、
   前記窓部材の主面上に配置され、電極板の対からなる平行平板電極対が前記窓部材の主面と平行な方向に複数対並べられた電極対列と、前記各平行平板電極対間に光源となるプラズマを発生させるための高周波を印加する高周波電源とを含むことを特徴とする植物育成光源ユニット。
2. 前記電極対列は、高周波が印加される高周波印加電極と接地電極とが、交互に配列された構成となることを特徴とする請求項１に記載の植物育成光源ユニット。
3. 前記電極対列を複数列有し、各電極対列間に誘電体部が設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の植物育成光源ユニット。
4. 前記高周波により前記プラズマを生成する原料ガスは、前記光源部に封入されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の植物育成光源ユニット。
5. 前記高周波により前記プラズマを生成する原料ガスを、前記光源部に供給するために前記光源部に接続されたガス供給部と、前記光源部から排出するために前記光源部に接続されたガス排気部とを備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の植物育成光源ユニット。
6. 前記原料ガスは、窒素ガス若しくは窒素ガスを含む混合ガスであることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の植物育成光源ユニット。
7. 管理した環境下において植物を育成する植物育成システムであって、
   育成される植物を収容し、該植物を育成する植物育成部と、
   前記植物育成部に隣接して配置され、前記植物の成長を促進する成長促進光を発する光源部と、
   前記成長促進光を透過させる窓部材を含み、前記植物収容部と前記光源部との間に設けられた光透過部と、を備え、
   前記光源部は、前記窓部材の主面上に配置され、電極板の対からなる平行平板電極対が前記窓部材の主面と平行な方向に複数対並べられた電極対列と、前記各平行平板電極対間に光源となるプラズマを発生させるための高周波を印加する高周波電源とを含むことを特徴とする植物育成システム。
8. 前記成長促進光の余剰光を回収するための光電変換装置を有し、該光電変換装置から発生した電力を、前記植物の育成する環境を制御する環境制御部へ供給する電力供給手段を、さらに有することを特徴とする請求項７に記載の植物育成システム。

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