JP2014057533A - 植物栽培システム - Google Patents

Abstract

【課題】二酸化炭素ハイドレートを分解することで発生する冷熱を利用して植物栽培施設内の室温を効率よく低下させると共に、植物栽培施設内の二酸化炭素濃度を高め、植物の光合成を促進させることができる植物栽培システムを提供すること。
【解決手段】
ＣＯ２ハイドレートは、ＣＯ２ハイドレート分解装置４でＣＯ２と水とに分解され、分解されたＣＯ２は、施設Ｈ内に供給されるので、施設Ｈ内のＣＯ２濃度を高め、植物の光合成を促進させることができる。また、ＣＯ２ハイドレートを分解することで発生する冷熱は、熱交換器５によって施設Ｈ内の空気との間で熱交換される。そのため、施設Ｈ内の室温を効率的に低下させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、植物栽培システムに関し、特に、二酸化炭素ハイドレートを分解することで発生する冷熱を利用して植物栽培施設内の室温を効率よく低下させると共に、植物栽培施設内の二酸化炭素濃度を高め、植物の光合成を促進させることができる植物栽培システムに関する。

次の特許文献１には、炭酸ガスハイドレートを炭酸ガスと水とに分解し、その分解した炭酸ガスと水とを植物栽培室内に供給することで、植物の光合成を促進させると共に、上がり過ぎた植物栽培室内の室温を低下させる技術が開示されている。

特開２００７−３１９０２２号公報

しかしながら、炭酸ガスハイドレートからは、植物栽培室内の室温を低下させるのに必要な水が分解されるとは限らない。一般的には、分解される水量、すなわち、冷熱も多くないため、その水を直接噴霧するのみでは、植物栽培室内の室温を低下させるのは困難である。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、二酸化炭素ハイドレートを分解することで発生する冷熱を利用して植物栽培施設内の室温を効率よく低下させると共に、植物栽培施設内の二酸化炭素濃度を高め、植物の光合成を促進させることができる植物栽培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および発明の効果

請求項１記載の植物栽培システムによれば、二酸化炭素ハイドレートが分解手段によって二酸化炭素と水とに分解される。分解された二酸化炭素は、供給手段によって植物を栽培する施設内に供給されるので、施設内の二酸化炭素濃度を高め、植物の光合成を促進させることができる。また、分解することで発生する冷熱は、熱交換手段によって施設内の空気との間で熱交換される。そのため、分解された水を直接、施設内に供給するよりも、施設内の室温を効率的に低下させることができる。よって、二酸化炭素ハイドレートを分解することで発生する冷熱を利用して植物栽培施設内の室温を効率よく低下させると共に、植物栽培施設内の二酸化炭素濃度を高め、植物の光合成を促進させることができるという効果がある。

請求項２記載の植物栽培システムによれば、請求項１記載の植物栽培システムの奏する効果に加え、二酸化炭素ハイドレートには、添加剤が含まれているものの、添加剤を含む水は施設の外部に排出されるので、添加剤が植物に吸収されるのを防止できるという効果がある。

請求項３記載の植物栽培システムによれば、請求項２に記載の植物栽培システムの奏する効果に加え、二酸化炭素ハイドレートは、排出手段によって排出される添加剤を含む水を使って生成されるので、添加剤を再利用できるという効果がある。

請求項４記載の植物栽培システムによれば、請求項１又は２に記載の植物栽培システムの奏する効果に加え、二酸化炭素ハイドレートは、排ガス中に含まれる二酸化炭素を使って生成されるので、排ガス中に含まれる二酸化炭素が大気に排出され、温室効果を引き起こすのを抑制できるという効果がある。

請求項５記載の植物栽培システムによれば、請求項１から４のいずれかに記載の植物栽培システムの奏する効果に加え、二酸化炭素ハイドレートを分解することで発生する冷熱の熱量は調節手段によって調節され、その調節された冷熱と、施設内の空気との間で熱交換される。よって、栽培する植物に応じて、施設内の室温を調節することができるという効果がある。

第１実施形態の植物栽培システムを模式図である。 第２実施形態の植物栽培システムを模式図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、添付図面を参照して説明する。まず、図１を参照して、第１実施形態の植物栽培システム１について説明する。図１は第１実施形態の植物栽培システム１の模式図である。尚、以降は、二酸化炭素を「ＣＯ２」として表記する。

植物栽培システム１は、施設Ｈの内で植物を栽培するのに用いられるものであって、主に、ＣＯ２ハイドレート生成装置２、ＣＯ２ハイドレート貯蔵タンク３、ＣＯ２ハイドレート分解装置４、熱交換器５を備えている。尚、施設Ｈは、例えば、ビニールハウスが例示される。

ＣＯ２ハイドレート生成装置２は、排ガスを発生する工場に設置されており、工場から発生する排ガスに含まれているＣＯ２を、ハイドレート技術により分離してＣＯ２ハイドレートを生成する装置である。圧力容器（ＣＯ２ハイドレート生成装置２の一部）に水を入れ、その圧力容器内にＣＯ２を含む排ガスを圧入し、ハイドレート生成である温度圧力条件を設定することでＣＯ２ハイドレートが生成される。その際、最終的に供給されるハウスのＣＯ２と冷熱割合に応じＣＯ２ハイドレート純度を変更することが可能である。

工場から発生する排ガスに含まれるＣＯ２は、今後は、ＣＯ２回収貯留（Carbon Dioxide Capture and Storage、以下、「ＣＣＳ」と称す）によって処理されることが知られているが、ＣＣＳには、莫大なコストを要する。これに対し、本実施形態は、排ガスから生成したＣＯ２ハイドレートを、植物の栽培に利用するので、ＣＣＳに回されるＣＯ２量、ひいては、ＣＣＳに要するコストを低減できる。

尚、排ガスからＣＯ２ハイドレートを生成する手法として、例えば、本出願人である松尾誠治が提案している手法（「セメント製造プロセスのＣＯ２分離を考慮した天然ガスハイドレート利用システムのエネルギー収支に関する評価」、日本エネルギー学会誌９０、１５２−１６３、２０１１）を適用できる。

ＣＯ２ハイドレート貯蔵タンク３は、ＣＯ２ハイドレート生成装置２で生成したＣＯ２ハイドレートを貯蔵するタンクであり、その内部は、ＣＯ２ハイドレートが分解されない温度圧力環境が維持されている。生成されたＣＯ２ハイドレートは、ＣＯ２ハイドレート貯蔵タンク３に貯蔵できるので、原料不足が発生するのを抑制できる。尚、ＣＯ２ハイドレート生成装置２で生成したＣＯ２ハイドレートを、ＣＯ２ハイドレート貯蔵タンク３に輸送する手段としては、例えば、タンクローリーなどの車輌輸送が例示される。

ＣＯ２ハイドレートを分解することなく輸送するには通常の温度圧力条件では、−８０℃程度のローリーが必要となるが、この輸送条件には、いわゆるハイドレートの自己保存特性を有した環境が有効に利用できることが知られており、例えば、常圧の冷凍庫―２０℃付近での輸送が可能である。これは、通常の冷凍車の有する設備環境であり、その面でも、ハイドレート技術のメリットがある。

ＣＯ２ハイドレート分解装置４は、ＣＯ２ハイドレートをＣＯ２と水とに分離する装置である。ＣＯ２ハイドレート貯蔵タンク３に貯蔵されているＣＯ２ハイドレートは、圧力容器（ＣＯ２ハイドレート分解装置４の一部）内に供給され、所定の圧力が加えられて、ＣＯ２と水とに分解される。

分解されたＣＯ２は、ＣＯ２ハイドレート分解装置４から施設Ｈ内に延びる配管６を介して、施設Ｈ内に供給される。これにより、施設Ｈ内のＣＯ２濃度が高まる。一方、分解された水は配管７を介して熱交換器５に供給される。

熱交換器５は、配管７を介してＣＯ２ハイドレート分解装置４から供給される水（具体的には、分解前ハイドレート顕熱、分解時のハイドレート潜熱、分解後の水の顕熱）と、施設Ｈ内の空気との間で熱を効率的に交換するものである。ＣＯ２ハイドレート分解装置４から供給される水は、ＣＯ２ハイドレートから分解されたものなので、その水温は一般的に−２０〜５度と低い。一方、施設Ｈの室温は、日差しの強い日中には、３５度以上になることもある。

熱交換器５は、施設Ｈ内の気温の高い空気を吸い込み、その空気とＣＯ２ハイドレート分解装置４から供給される水温の低い水との間で効率的に熱交換させ、冷却された空気（冷熱）を施設Ｈ内に供給するものである。よって、施設Ｈの室温が所定の室温よりも上がっても、ＣＯ２ハイドレートを分解することで発生する冷熱を利用して施設Ｈの室温を効率的に低下させることができる。

例えば、施設Ｈ内の室温を低下させるために、換気したのでは供給したＣＯ２が逃げてしまうが、ＣＯ２ハイドレートを分解することで発生する冷熱を利用することで、施設Ｈ内の換気をしなくても、施設Ｈの室温を効率的に低下させることができる。その結果、植物Ｓの光合成を促進条件が維持でき、植物Ｓの成長を促すことができる。

尚、熱交換器５で熱交換された水は配管８を介して排出される。また、施設Ｈ内を冷却する必要がない場合、ＣＯ２ハイドレート分解装置４で分解された水は排水管９を介して排出される。

このように、第１実施形態の植物栽培システム１によれば、ＣＯ２ハイドレートを分解することで発生する冷熱を利用して施設Ｈ内の室温を効率よく低下させると共に、施設Ｈ内のＣＯ２濃度を高め、植物の光合成を促進させることができる。

次に、図２を参照して、第２実施形態の植物栽培システム１０について説明する。図２は第２実施形態の植物栽培システム１０の模式図である。尚、第１実施形態と同一の構成については、同一の符号を付し、その説明は省略する。

第２実施形態の植物栽培システム１０は、第１実施形態の植物栽培システム１と同様に、ＣＯ２ハイドレート生成装置２と、ＣＯ２ハイドレート貯蔵タンク３と、ＣＯ２ハイドレート分解装置４と、熱交換器５とを備えている。

これに加え、第２実施形態の植物栽培システム１０は、パーソナルコンピュータ（以下、「ＰＣ」と称す）と、冷水貯蔵タンク１２とを備え、施設Ｈ内には、施設Ｈ内のＣＯ２濃度を検出するＣＯ２センサ１３と、施設Ｈ内の室温を検出する温度センサ１４とが設けられている。

ＰＣは、ＣＯ２センサ１３と、温度センサ１４とから、無線通信を介して、施設Ｈ内のＣＯ２濃度、室温を取得し、それに応じて、ＣＯ２ハイドレート分解装置４から施設Ｈ内に供給されるＣＯ２量や、熱交換器５に供給される冷熱の熱量を制御する。これにより、施設Ｈ内の環境を、施設Ｈ内の植物Ｓの成長に適した環境に制御できる。尚、通信は有線であっても良いことは言うまでもない。

また、第２実施形態が、第１実施形態と異なる点は、ＣＯ２ハイドレート生成装置２でＣＯ２ハイドレートを生成する場合に、添加剤を混入する点である。添加剤を混入することにより、ＣＯ２ハイドレートを生成する場合の圧力条件を、常圧で、または、添加剤を混入しない場合よりも低圧にできる。よって、ＣＯ２ハイドレート生成装置２に要求される耐圧性が緩和され、廉価なＣＯ２ハイドレート生成装置２を採用できる。

ＣＯ２ハイドレートは、圧力容器（ＣＯ２ハイドレート生成装置２の一部）に水と添加剤とを投入し、さらに、例えばエマルション化のため溶媒を加え、圧力容器内にＣＯ２を含む排ガスを圧入し、生成のための温度圧力を維持することで、流動性を有するＣＯ２ハイドレートが生成される。ＣＯ２ハイドレートに流動性を持たせることで、その後の運搬性、ハンドリング性を向上させることができる。

添加物としては、例えば、ＴＢＡ系化合物、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）系、４級アミン類及びその塩類系、具体的には、テトラヒドロフルフリルアルコール、臭化テトラブチルアンモニウム（ＴＢＡＢ）、水酸化テトラブチルアンモニウム（ＴＢＡ-OH）、塩化テトラブチルアンモニウム（ＴＢＡC）等を適用できる。

ＣＯ２ハイドレート生成装置２でＣＯ２ハイドレートが生成されると、生成されたＣＯ２ハイドレートは、ＣＯ２ハイドレート貯蔵タンク３に貯蔵され、ＣＯ２ハイドレート分解装置４で、ＣＯ２と、添加物を含む水とに分解される。分解されたＣＯ２は、配管６を介して施設Ｈ内に供給される。

配管６の途中には、電磁バルブＢが設けられており、電磁バルブＢは、無線通信を介して、ＰＣで管理可能に構成されている。よって、ＰＣは、ＣＯ２センサ１３から受けるＣＯ２濃度に応じて、施設Ｈ内のＣＯ２濃度が、予め設定されているＣＯ２濃度になるように、電磁バルブＢを制御する。これにより、施設Ｈ内を予め設定されているＣＯ２濃度にできる。尚、通信は有線であっても良いことは言うまでもない。

一方、ＣＯ２ハイドレート分解装置４で分解された添加剤を含む水は、その冷熱のみが冷水貯蔵タンク１２に供給される。即ち、ＣＯ２ハイドレート分解装置４の内部と、冷水貯蔵タンク１２の内部とは、冷媒管１５を介して接続されており、冷媒管１５を介して、分解された添加剤を含む水の冷熱が冷水貯蔵タンク１２に供給される。

冷水貯蔵タンク１２は、冷媒管１５を介して供給される冷熱の熱量を調節するタンクであり、その内部には冷水が貯蔵されている。冷媒管１５を介して供給される冷熱は、その熱量が冷水貯蔵タンク１２で調節され、その調節された冷熱が冷水貯蔵タンク１２から熱交換器５に供給される。即ち、冷水貯蔵タンク１２の内部と、熱交換器５の内部とは、冷媒管１６を介して接続されており、冷媒管１６を介して、冷水貯蔵タンク１２の冷熱が熱交換器５に供給される。

例えば、熱交換器５に供給する冷熱の熱量を上げたい場合には、冷水貯蔵タンク１２内の水温を上げれば良く、更に、下げたければ、冷水貯蔵タンク１２内の水温を下げれば良い。

そして、冷媒管１５、冷媒管１６の各々には、ポンプＰが設けられており、ポンプＰは、無線通信を介して、ＰＣで管理可能に構成されている。よって、ＰＣは、温度センサ１４から受ける施設Ｈ内の室温に応じて、各ポンプＰを制御することで、施設Ｈ内を予め設定されている室温に管理できる。

また、ＣＯ２ハイドレート分解装置４で分解された添加物を含む水は、配管１７を介して、ＣＯ２ハイドレート生成装置２に供給される。添加物を含む水を、ＣＯ２ハイドレート生成装置２に供給することで、比較的、高価な添加物を再利用でき、システムのランニングコストを低減できる。

このように、第２実施形態の植物栽培システム１０によれば、第１実施形態と同様な効果を奏することができる上、施設Ｈ内のＣＯ２濃度、室温が、予め設定されているＣＯ２濃度、室温に制御可能に構成されているので、施設Ｈ内の環境を、施設Ｈ内の植物Ｓの成長に適した環境に制御できる。

また、添加物を使ってＣＯ２ハイドレートを生成するので、廉価なＣＯ２ハイドレート生成装置２を採用できる。また、ＣＯ２ハイドレートは流動性を有するので、システム内におけるＣＯ２ハイドレートの運搬性、ハンドリング性を向上できる。更に、添加物を再利用するので、システムのランニングコストを低減できる。

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。

例えば、第１、２実施形態で説明した構成は、相互に適用、除外できる。例えば、第１実施形態でも、ＣＯ２ハイドレート生成装置２で添加物を含むＣＯ２ハイドレートを生成しても良い。また、ＰＣ、冷水貯蔵タンク１２等を設け、施設Ｈ内のＣＯ２濃度、室温を制御可能に構成しても良い。添加剤を含む水を再利用可能に構成しても良い。逆に、かかる構成を第２実施形態から除外しても良い。

また、第１，２実施形態では、ＣＯ２ハイドレート生成装置２、ＣＯ２ハイドレート貯蔵タンク３を含む植物栽培システム１，１０について説明したが、ＣＯ２ハイドレート生成装置２、ＣＯ２ハイドレート貯蔵タンク３を除いて植物栽培システム１，１０を構成しても良い。例えば、ＣＯ２ハイドレートは、ＣＯ２ハイドレート生成装置を有する工場から購入し、それをＣＯ２ハイドレート貯蔵タンク３で貯蔵するなり、直接、ＣＯ２ハイドレート分解装置４に供給すれば良い。かかる場合は、システム自体のコストを低減できる。

また、第１，２実施形態のＣＯ２ハイドレート生成装置２は、排ガスからＣＯ２ハイドレートを生成する場合について説明したが、これに限定されない。ＣＯ２ハイドレート生成装置２は、ＣＯ２と水とからＣＯ２ハイドレートを生成できれば良く、排ガスの入手が困難である場合に有効である。

１ 第１実施形態の植物栽培システム
２ ＣＯ２ハイドレート生成装置（生成手段の一例））
４ ＣＯ２ハイドレート分解装置（分解手段の一例）
５ 熱交換器（熱交換手段の一例）
１２ 冷熱貯蔵タンク（調節手段の一例）
１０ 第２実施形態の植物栽培システム
１７ 配管（排出手段の一例）
Ｈ 施設
Ｓ 植物

Claims (5)

1. 施設内で植物を栽培するのに用いられる植物栽培システムにおいて、
   二酸化炭素ハイドレートを、二酸化炭素と水とに分解する分解手段と、
   その分解手段によって分解された二酸化炭素を、前記施設内に供給する供給手段と、
   前記分解手段によって前記二酸化炭素ハイドレートを分解することで発生する冷熱と、前記施設内の空気との間で熱交換する熱交換手段とを備えていることを特徴とする植物栽培システム。
2. 前記二酸化炭素ハイドレートには、添加剤が含まれており、
   前記分解手段は、前記二酸化炭素ハイドレートを、二酸化炭素と前記添加剤を含む水とに分解し、
   その分解手段によって分解された添加剤を含む水を施設の外部に排出する排出手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の植物栽培システム。
3. 前記排出手段によって排出される添加剤を含む水を使って、前記分解手段によって分解される二酸化炭素ハイドレートを生成する生成手段を備えていることを特徴とする請求項２に記載の植物栽培システム。
4. 排ガスに含まれる二酸化炭素を使って、前記分解手段によって分解される二酸化炭素ハイドレートを生成する生成手段を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の植物栽培システム。
5. 前記分解手段によって前記二酸化炭素ハイドレートを分解することで発生する冷熱の熱量を調節する調節手段を備え、
   前記熱交換手段は、前記調節手段によって熱量が調節された冷熱と、前記施設内の空気との間で熱交換することを特徴とする請求項１から４のいずれか記載の植物栽培システム。

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