JP2012231766A

JP2012231766A - 自立型クリーン農場システム

Info

Publication number: JP2012231766A
Application number: JP2011104139A
Authority: JP
Inventors: Masaharu Uchida; 正治内田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-05-09
Filing date: 2011-05-09
Publication date: 2012-11-29

Abstract

【課題】風力や太陽光などの自然エネルギーおよび雨水を利用することによって、ライフラインの整っていない場所においても、野菜などの農作物を効率良く栽培することが可能な自立型クリーン農場システムを提供する。
【解決手段】屋根２の表面に太陽光発電手段３が設けられているとともに、屋根２の屋根裏２ｂに屋根２の表面２ｂに降下する雨水を導入して貯留する雨水貯留プール４が設けられ、屋根２の下方に壁面の一部が開口されて風の流れが形成されているとともに、風の流れによって得られるエネルギーにより発電を行う風力発電手段５が１つ以上設けられた風力発電フロア６を有し、風力発電フロア６の下階に植物を栽培する栽培棚７と、植物育成用の人工光８と、植物に雨水を散水する雨水散水手段９とが備えられた農場フロア１０を有してなり、農場フロア１０の人工光８および雨水散水手段９には、太陽光発電手段３および風力発電手段５によって発電された電力が供給されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、風力、太陽光などの自然エネルギーおよび雨水を利用することにより、効率的に植物を栽培することが可能な自立型クリーン農場システムに関するものである。

近年、環境保全の観点から二酸化炭素の削減を図るために、太陽光、風力、地熱あるいは潮力といった各種の自然エネルギーを利用して発電を行う試みが積極的に行われている。また、近年の水不足や地球環境への意識の高まりから、雨水を取り出して利用する考えが広まってきているとともに、近年増加の傾向にあるゲリラ豪雨による被害の対策として、大量の雨水を貯留して、水害による被害を最小限に抑える試みも行われている。

一方、植物においては、気候の変動や食の安全意識の高まりから、農作物を安全かつ計画的に生産することが可能であるとともに、露地栽培やハウス栽培に不向きな不毛な土地においても、様々な野菜や果物を栽培することが可能な植物工場に注目が集まっている。

この植物工場には、太陽光利用型と、人工光による完全制御型の２種類がある。太陽光利用型は、温室等の半閉鎖環境で太陽光の利用を基本として、雨天・曇天時の補光や夏季の高温抑制などにより生産を行うものである。また、完全制御型は、ビル内など外部と切り離された閉鎖的空間において、完全に制御された環境、例えば、人工的光源、各種空調設備、養液培養などによって生産を行うものである。

上記完全制御型の植物工場は、冷夏や暖冬、台風などの気象変動の影響を受けることがなく、安定した供給が可能であるとともに、農薬の使用や細菌が少なく高い安全性や高品質の作物を供給することが可能である。しかし、工場の設置や各種設備を揃える必要があるため、高額の初期投資が必要であるとともに、植物の育成のための光源、例えば、高圧ナトリウムランプ、蛍光灯、発光ダイオードなどの電力費、光源から発生する熱の冷却、その他適温の維持のための空調費など生産コストが嵩むという問題がある。また、ライフラインの整っていない場所において、生産が行えないという問題もある。

一方、太陽光利用型の植物工場は、温室などの半閉鎖環境であるため、太陽光の利用が基本であるとともに、雨天・曇天時の補光や夏季の高温抑制技術などによって、周年・計画生産を行う施設である。このため、初期投資費用を抑えることができるとともに、太陽光を利用することにより、電力費も抑えることができる。しかしながら、この太陽光利用型の植物工場は、主な光源を太陽光とすることから、完全制御型の植物工場ほどの高効率生産や周年生産が不可能であるという問題がある。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、風力や太陽光などの自然エネルギーおよび雨水を利用することによって、ライフラインの整っていない場所においても、野菜などの農作物を効率良く栽培することが可能な自立型クリーン農場システムを提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、複数階を有する建造物を用いた自立型クリーン農場システムであって、上記建造物は、屋根の表面に太陽光発電手段が設けられているとともに、この屋根の屋根裏に当該屋根の表面に降下する雨水を導入して貯留する雨水貯留プールが設けられ、上記屋根の下方に、壁面の一部が開口されて風の流れが形成されているとともに、この風の流れによって得られるエネルギーにより発電を行う風力発電手段が1つ以上設けられた風力発電フロアを有し、上記風力発電フロアの下階に、植物を栽培する栽培棚と、植物育成用の人工光と、植物に上記雨水貯留プールに貯留された雨水を散水する雨水散水手段とが備えられた農場フロアを有してなり、上記農場フロアの上記人工光および上記雨水散水手段には、上記太陽光発電手段および上記風力発電手段によって発電された電力が供給されていることを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記風力発電フロアは、四方が開口されているとともに、この開口された各々の開口部を形成する上記風力発電フロアの床面端部と上記屋根の裏面端部とに、上記風力発電フロア内に向かうに従って風の流路が漸次狭くなる傾斜面が形成されていることを特徴とするものである。

そして、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、上記風力発電手段は、風を受けて回転する回転翼と、この回転翼を内設するとともに、上記風力発電フロア内を流れる風を流入する筒体とを備え、かつ当該筒体の風の流入側が風向面に配置されるように、上記筒体を回転させる回転手段を備えていることを特徴とするものである。

さらに、請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、上記雨水散水手段は、上記雨水貯留プールの雨水を植物に散水する散水パイプと、この散水パイプから植物に散水する時間および散水量などを制御する制御装置を備えていることを特徴とするものである。

請求項１〜４に記載の発明によれば、複数階を有する建造物の屋根に設けられた太陽光発電手段と、風力発電フロア内に設けられた風力発電手段とにより発電された電気によって、農場フロアの人工光および雨水散水手段の電力を賄うことができるとともに、植物の育成に必要な水を、上記屋根の屋根裏に設けられた雨水貯留プールに雨水を貯留して利用するため、ライフラインの整っていない山間部や離島においても、植物の栽培を行うことができるとともに、太陽光が照射されない、雨天や曇天または夜間においても、風のエネルギーによって発電し、電力を得ることができる。これにより、１年を通して植物を計画的に栽培することができる。

請求項２に記載の発明によれば、上記風力発電フロアは、四方が開口されているとともに、この開口された各々の開口部を形成する上記風力発電フロアの床面端部と、上記屋根の裏面端部とに、上記風力発電フロア内に向かうに従って、風の流路が漸次狭くなる傾斜面が形成されているため、上記傾斜面が形成された上記開口部において、上記風力発電フロア内を流れる風の速度を上げることができる。この結果、上記風力発電手段に与える風のエネルギーを増加させることができ、発電効率を向上させることができる。

請求項３に記載の発明によれば、上記風力発電手段が、風を受けて回転する回転翼と、この回転翼を内設するとともに、上記風力発電フロア内を流れる風を流入する筒体とを備えているため、上記風力発電フロアを流れる風を上記筒体内に流入させることにより、さらに風速を上げることができる。この結果、上記筒体に内設された回転翼に与える風のエネルギーを増加させて、発電効率をさらに向上させることができる。

また、上記筒体の風の流入側が風向面に配置されるように、上記筒体を回転させる回転手段を備えているため、風向が一定でない場所であっても、常に風向に対して上記筒体の風の流入側を配置させることできる。この結果、気候の変動や季節によって風向きが変わる場所においても、常に上記筒体に風を流入させ、上記回転翼によって発電を行うことができる。

請求項４に記載の発明によれば、上記雨水散水手段が、上記雨水貯留プールの雨水を植物に散水する散水パイプと、この散水パイプから植物に散水する時間および散水量などを制御する制御装置とを備えているため、上記雨水貯留プールに貯留されている雨水を効率良く植物に散水することができるとともに、栽培する作物の種類や栽培条件に適した散水を行うことができ、栽培効率を向上させることができる。

本発明に係る自立型クリーン農場システムの一実施形態の概略構成を示す正面断面図である。本発明に係る自立型クリーン農場システムの一実施形態の概略構成を示す平面図である。本発明に係る自立型クリーン農場システムの一実施形態に用いられる風力発電手段の概略構成を示し、（ａ）は平面断面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）はＡ−Ａ断面図である。

図１および図２に示すように、本発明の自立型クリーン農場の一実施形態は、４本の柱１３により支えられた２階建て建造物１であり、その屋根２の表面２ａに、太陽光発電手段３が設けられ、この屋根２の屋根裏２ｂに雨水を貯留する雨水貯留プール４が設けられているとともに、この屋根２の下方に、風のエネルギーにより発電を行う風力発電手段と制御ボックス１５とが設けられた風力発電フロア６が配設され、さらに風力発電フロア６の下階に、植物を栽培する栽培棚７と、植物育成用の人工光８と、植物に雨水を散水する雨水散水手段９とが備えられた農場フロア１０が配設されて概略構成されている。

ここで、屋根２の表面２ａに設けられた太陽光発電手段３は、太陽電池が複数集積されたソーラーパネル３ａによって構成されている。このソーラーパネル３ａは、複数枚（図では６枚）が屋根２の表面２ａに間隔を置いて敷設されている。また、各々のソーラーパネル３ａは、ケーブルを介して風力発電フロア６に設けられた制御ボックス１５に接続されている。

また、屋根２の屋根裏２ｂに設けられた雨水貯留プール４は、屋根裏２ｂの全域に亘って形成されているとともに、この雨水貯留プール４に雨水を導入するための導入口２ｄが、屋根２の表面２ａ側に穿設されている。この導入口２ｄは、長穴状に形成されているとともに、ソーラーパネル３ａと平行に、屋根２の表面２ａ側に穿設されている。また、屋根２の裏面には、雨水貯留プール４に貯留された雨水を雨水散水手段９に導くための竪樋１４が接続されている。この竪樋１４は、間隔を複数本（図では６本）設けられているとともに、各々に電磁弁１４ａが介在されている。

そして、屋根２の下方にある風力発電フロア６は、風向に関係なくフロア内を風が流れるように、四方が開口されている。また、各々の開口部は、この開口部を形成している風力発電フロア６の床面端部６ａと、屋根２の裏面端部２ｃとに、風力発電フロア６内に向かうに従って、風の流路が漸次狭くなる傾斜面１１が形成されている。

さらに、風力発電フロア６には、フロア内を流れる風のエネルギーによって発電する風力発電手段５が複数基（図では３基）設けられている。この風力発電手段５は、図３（ａ）およ（ｂ）に示すように、両端部が開口された筒体５ｂと、この筒体５ｂに内設された回転翼５ａと、筒体５ｂの外周面の長手方向の中心部に、一体的に形成された筒体５ｂを支持する円筒状の支持部５ｃと、この支持部５ｃに回転手段１２を介して連結された台座５ｄとによって構成されている。

また、回転翼５ａは、ナセル１７に内設されている増速器２０にロータ軸２１を介して連結されているとともに、増速器２０が動力伝達軸１９を介して発電機１８に連結されている。これにより、回転翼５ａの回転が増速器２０によって増速され、増速された回転が発電機１８に伝達されて発電するように構成されている。そして、発電機１８は、ケーブルを介して風力発電フロア６に設けられた制御ボックス１５に接続されている。

そして、回転手段１２は、図３（ｃ）に示すように、支持部５ｃの下面側に、一体的に形成されたピニオンギア１２ａと、このピニオンギア１２ａに歯合されているラック１２ｂと、このラック１２ｂを可動させるアクチュエータ１２ｃとによって構成されている。また、回転手段１２は、屋根２の表面２ａに取り付けられた角度検出器、例えば、風車型風向風速計１６の角度センサにより風向を計測し、計測された角度に従い、アクチュエータ１２ｃを作動させて筒体５ｂが回転するように構成されている。

さらに、風力発電フロア６の下階にある農場フロア１０は、植物を栽培する栽培棚７が複数段（図では３段）設けられ、この栽培棚７に栽培用容器７ａが設置されている。また、栽培用容器７ａの上方には、雨水貯留プール４の雨水を散水する散水パイプ９ａと、植物育成用の人工光８が配設されている。散水パイプ９ａからの雨水の散水は、散水する時間や散水する量などが、制御装置９ｂに設定された条件に従って行うように構成されている。また、人工光８には、省電力型のＬＥＤ電球、蛍光灯、高圧ナトリウムランプなどを用いることができる。

また、制御ボックス１５は、ソーラーパネル３ａで発電された直流の電気を交流の電気に変換するパワーコンディショナ、このパワーコンディショナによって変換された交流の電気および風力発電手段５によって、発電された交流の電気を負荷電力として振り分ける配電盤、夜間に利用する電気を充電するリチウムイオン二次電池、風車型風向風速計１６によって検知した信号および雨水を散水パイプ９ａから植物に散水する時間や散水量を制御する制御装置９ｂが配設されている。

以上の構成からなる自立型クリーン農場システムを用いて、植物を栽培するには、まず、２階建ての建造物１を山間部や離島などに設置する。設置にあたっては、建造物１の基礎となる４本の柱１３を立設した後に、２階部分である風力発電フロア６の床を柱１３に取り付け、さらに、雨水貯留プール４が設けられた屋根２を柱１３に取り付ける。これにより、１階部分に農場フロア１０、２階に風力発電フロア６を有するとともに、屋根２に雨水貯留プール４が設けられた建造物１が完成する。

そして、屋根２の表面２ａに、ソーラーパネル３ａを敷設するとともに、風力発電フロア６に、３基の風力発電手段５および制御ボックス１５を配設し、かつ屋根２の屋根裏２ｂに設けられた雨水貯留プール４から雨水を農場フロア１０に導く竪樋１４を配設する。また、各々のソーラーパネル３ａおよび各々の風力発電手段５をケーブルを介して、制御ボックス１５に接続する。

さらに、風力発電フロア６の下階にある農場フロア１０に、３段の栽培棚７を設けるとともに、各段の栽培棚７に栽培用容器７ａを設置する。そして、栽培用容器７ａの上方に、雨水を散水する散水パイプ９ａ、この散水パイプの上方に、植物育成用の人工光８を配設する。この際に、散水パイプ９ａは、竪樋１４に連結されるとともに、植物育成用の人工光８に、制御ボックス１５から電力が供給されるように接続する。

次に、自立型クリーン農場システムを利用して、植物を栽培するには、まず、農場フロア１０内の植物を栽培する栽培棚７に設置されている栽培用容器７ａに、土壌を敷き詰めるとともに、この土壌に栽培する植物の種または苗を植える。この際に、人工光８により栽培する植物に適した照射時間、および散水パイプ９ａから栽培する植物に適した散水時間および散水量を、予め制御ボックス１５内の制御装置９ｂに設定する。

また、栽培を行うための電力供給は、太陽光を利用した太陽光発電手段３と、風のエネルギーを利用した風力発電手段５が利用される。太陽光発電手段３は、屋根２の表面２ａに敷設されたソーラーパネル３ａが、太陽光にって発電し、発電によって得られた直流の電気を制御ボックス１５に送り、制御ボックス１５内に配設されたパワーコンディショナによって交流の電気に変換する。そして、この交流の電気が、配電盤から制御装置９ｂや農場フロア１０内の人工光８用の電力として利用されるとともに、夜間用の電源となるリチウムイオン二次電池に蓄電される。

一方、風を利用した風力発電手段５は、風力発電フロア６内を流れる風のエネルギーにより、筒体５ｂに内設されている回転翼５ａが回転し、この回転がナセル１７に内設されている増速器２０にロータ軸を介して伝わり、この増速器２０において増速された回転が動力伝達軸１９を介して発電機１８に伝わって発電される。そして、発電機１８よって発電された交流の電気は、制御ボックス１５に送られて、上記配電盤から太陽光発電手段３と同様に、制御装置９ｂや農場フロア１０内の人工光８用の電力として利用されるとともに、夜間用の電源となるリチウムイオン二次電池に蓄電される。

また、四方が開口された風力発電フロア６の開口部を形成する風力発電フロア６の床面端部６ａと、屋根２の裏面端部２ｃとに傾斜面１１が形成されているため、上記開口部から風力発電フロア６に向かう際に、風が絞られて速度が上昇する。これにより、風のエネルギーが増加して、風力発電手段５の回転翼５ａの回転速度を上げることができる。さらに、回転翼５ａが筒体５ｂに内設されているため、この筒体５ｂ内を流れる風が絞られて、さらに風速が上がる。

さらに、風力発電手段５は、風向によって、筒体５ｂの風の導入側が風向面に配置されるように、回転手段１２によって筒体５ｂが回転する。この回転手段１２は、屋根２に取り付けられた風車型風向風速計１６の角度センサにより、風向を検出して、検出した信号が制御装置９ｂによって処理され、アクチュエータ１２ｃを作動させるとともに、このアクチュエータ１２ｃに連結されているラック１２ｂを可動させ、かつこのラック１２ｂに歯合されているピニオンギア１２ａを回転させる。このピニオンギア１２ａの回転により、ピニオンギア１２ａと一体的に連結されている支持部５ｃが回転し、筒体５ｂの風の導入側が風向面の位置に移動する。

また、植物に散水する水は、雨が降った際に、この雨が屋根２の表面２ａ側に穿設された導入口２ｄから導入されて、屋根裏２ｂに設けられた雨水貯留プール４に貯留された雨水が利用される。特に、ゲリラ豪雨などによって、大量の雨水を貯留することができ、水害の対策として利用することができる。

そして、農場フロア１０内の３段構成の栽培棚７に設置された各々の栽培用容器７ａに、散水パイプ９ａから雨水を散水する。この際、制御装置９ｂに予め設定された散水時間および散水量に従って、竪樋１４に介在されている電磁弁１４ａの開閉が行われ、この竪樋１４に接続された散水パイプ９ａから、栽培用容器７ａ内の土壌に散水される。

さらに、散水パイプ９ａの上方に配設された人工光８によって、栽培用容器７ａ内の土壌を照射して、栽培する植物に光を与える。この人工光８によって、雨天や曇天または夜間においても、植物に光を照射させることができ、植物の生育をコントロールすることができる。
なお、雨天や曇天または夜間および無風の際に、竪樋１４に介在されている電磁弁１４ａ、人工光８、制御装置９ｂに供給される電力は、制御ボックス１５に内設されたリチウムイオン二次電池に蓄電されている電気が使用される。

このようにして、外部から電力や水を供給しなくても、植物の栽培を無人で行うことが可能となり、ライフラインが整っていない山間部や離島においても、効率的に植物の栽培を行うことができる。

上述の実施の形態による自立型クリーン農場システムによれば、複数階を有する建造物１の屋根２に設けられた太陽光発電手段３と、風力発電フロア６内に設けられた風力発電手段５とにより発電された電気によって、農場フロア１０の人工光８および雨水散水手段９の電力を賄うことができるとともに、植物の育成に必要な水を、屋根２の屋根裏２ｂに設けられた雨水貯留プール４に雨水を貯留して利用するため、ライフラインの整っていない山間部や離島においても、植物の栽培を行うことができるとともに、太陽光が照射されない、雨天や曇天または夜間においても、風のエネルギーによって発電し、電力を得ることができる。これにより、１年を通して植物を計画的に栽培することができる。

また、風力発電フロア６は、四方が開口されているとともに、この開口された各々の開口部を形成する風力発電フロア６の床面端部６ａと、屋根２の裏面端部２ｃとに、風力発電フロア６内に向かうに従って、風の流路が漸次狭くなる傾斜面１１が形成されているため、傾斜面１１が形成された上記開口部において、風力発電フロア６内を流れる風の速度を上げることができる。この結果、風力発電手段５に与える風のエネルギーを増加させることができ、発電効率を向上させることができる。

そして、風力発電手段５が、風を受けて回転する回転翼５ａと、この回転翼５ａを内設するとともに、風力発電フロア６内を流れる風を流入する筒体５ｂとを備えているため、風力発電フロア６を流れる風を筒体５ｂ内に流入させることにより、さらに風速を上げることができる。この結果、筒体５ｂに内設された回転翼５ａに与える風のエネルギーを増加させて、発電効率をさらに向上させることができる。

さらに、筒体５ｂの風の流入側が風向面に配置されるように、筒体５ｂを回転させる回転手段１２を備えているため、風向が一定でない場所であっても、常に風向に対して上記筒体の風の流入側を配置させることできる。この結果、気候の変動や季節によって風向きが変わる場所においても、筒体５ｂに風を流入させ、回転翼５ａによって発電を行うことができる。

また、雨水散水手段９が、雨水貯留プール４の雨水を植物に散水する散水パイプ９ａと、この散水パイプ９ａから植物に散水する時間および散水量などを制御する制御装置９ｂとを備えているため、雨水貯留プール４に貯留されている雨水を効率良く植物に散水することができるとともに、栽培する作物の種類や栽培条件に適した散水を行うことができ、栽培効率を向上させることができる。

なお、上記実施の形態において、風力発電手段５を３基設ける場合のみ説明したが、これに限定されるものでなく、例えば、４基または５基と複数基設けても対応可能である。
また、上記実施の形態において、風力発電フロア６を１フロア配設する場合のみ説明したが、これに限定されるものでなく、例えば、２フロアまたは３フロアと複数フロア配設しても対応可能である。
さらに、太陽光発電手段３と風力発電手段５とによって発電された電力、および雨水貯留プールに貯留された雨水を利用することにより、農場フロア１０は、畜産や養殖に転用することが可能である。

電力の供給が乏しい山間部や離島などで利用することができる。

１建造物
２屋根
２ａ表面
２ｂ屋根裏
２ｃ床面端部
３太陽光発電手段
４雨水貯留プール
５風力発電手段
５ａ回転翼
５ｂ筒体
６風力発電フロア
７栽培棚
８人工光
９雨水散水手段
９ａ散水パイプ
９ｂ制御装置
１０農場フロア
１１傾斜面
１２回転手段

Claims

複数階を有する建造物を用いた自立型クリーン農場システムであって、
上記建造物は、屋根の表面に太陽光発電手段が設けられているとともに、この屋根の屋根裏に当該屋根の表面に降下する雨水を導入して貯留する雨水貯留プールが設けられ、
上記屋根の下方に、壁面の一部が開口されて風の流れが形成されているとともに、この風の流れによって得られるエネルギーにより発電を行う風力発電手段が1つ以上設けられた風力発電フロアを有し、
上記風力発電フロアの下階に、植物を栽培する栽培棚と、植物育成用の人工光と、植物に上記雨水貯留プールに貯留された雨水を散水する雨水散水手段とが備えられた農場フロアを有してなり、
上記農場フロアの上記人工光および上記雨水散水手段には、上記太陽光発電手段および上記風力発電手段によって発電された電力が供給されていることを特徴とする自立型クリーン農場システム。
上記風力発電フロアは、四方が開口されているとともに、この開口された各々の開口部を形成する上記風力発電フロアの床面端部と上記屋根の裏面端部とに、上記風力発電フロア内に向かうに従って風の流路が漸次狭くなる傾斜面が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の自立型クリーン農場システム。
上記風力発電手段は、風を受けて回転する回転翼と、この回転翼を内設するとともに、上記風力発電フロア内を流れる風を流入する筒体とを備え、かつ当該筒体の風の流入側が風向面に配置されるように、上記筒体を回転させる回転手段を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の自立型クリーン農場システム。
上記雨水散水手段は、上記雨水貯留プールの雨水を植物に散水する散水パイプと、この散水パイプから植物に散水する時間および散水量などを制御する制御装置を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の自立型クリーン農場システム。