JP2020506729A - 作物を栽培するための方法及びデバイス - Google Patents

Abstract

作物を栽培するための方法及びデバイスでは、栽培は、少なくとも実質的に日光のない気候調整された栽培空間（１０）において行われる。栽培空間は、第１の側（１）と反対の第２の側（２）との間にわたり、ここにおいて、作物は、空間的に隔てられた人工光源（６０）のアレイからの光合成有効放射線に曝される。空気流（３５）は、第１の側から第２の側に作物の上方を導かれる。人工光源は、作物の上方に空間的に分配される。作物の上方を導かれる空気流（３５）の流れの向きにおいて見られるように、光源のアレイのうちの下流光源（６０ＱＲ）は、さらに上流に位置する光源（６０ＡＢ）より高い線量の光合成有効放射線を生成する。【選択図】図１

Description

本発明は、第１の側と反対の第２の側との間にわたる、少なくとも実質的に日光のない気候調整された栽培空間において作物を栽培するための方法に関し、ここにおいて、作物は、空間的に隔てられた人工光源のアレイからの光合成有効放射線に曝され、及びここにおいて、空気流は、第１の側から第２の側の方向に向かって作物の上方を及び／又は作物を通り抜けて導かれる。本発明はまた、第１の側と反対の第２の側との間にわたる、少なくとも実質的に日光のない気候調整された栽培空間と、作物が曝される光合成有効放射線を発生させ、且つ放射するための空間的に隔てられた人工光源の少なくとも１つのアレイとを備え、及び、第１の側から第２の側の方向に向かって栽培空間を通り抜けて空気流を導くための空気流手段を備える、作物を栽培するためのデバイスに関する。

序文において説明されたタイプの方法及びデバイスは、園芸、屋内農業、屋内栽培、都市農業又は垂直農業のような様々な名称で知られており、以下では単に屋内農業と呼ばれる。これは、人工光及び少なくとも部分的に調整された気候のような人工的な成長条件下における作物の制御された栽培及び生産を伴う。これは、所望される場合に、特に都市部において、地下屋内農業を実施する可能性を提供するもので、且つ従来の園芸と比較すると有意な利点も有している。種から収穫までの自然な成長周期はこのことから、例えば、それが自然な太陽光の昼／夜リズムによってもはや制御されていないことから、有意に短縮されることができる。屋内農業は従って、かつてないほど増大している世界人口のために食料安全保障の世界規模の問題を解決する際の重要なリンク（link）と見られている。

栽培がこのように人工的な条件下で行われる栽培空間の内部では、作物は、人工光源からの人工光に既知の方法及びデバイスで曝されている。以下ではＰＡＲ放射線とも呼ばれる光合成有効放射線を発生させることに加えて、これらの人工光源はまた、熱を発生させる。それにもかかわらず空間温度を所望される値に維持するために、空気流は従って、この熱の少なくとも一部が放散する作物の上方を及び／又は作物を通り抜けて導かれる。周囲温度に加えて、所望される相対気湿及び二酸化炭素濃度のような、栽培空間における他の空気条件もまた、この空気流で制御されることができる。これは実際には、新鮮な空気が栽培エリアの第１の側から栽培空間へと流れ、及び第２の側で抽出且つ排出されることを意味する。途中で、空気流は、より多くの光源がその中の熱を漸進的に放散することから、加熱されるであろう。第２の側の気温はこれによって、空気が第１の側で栽培空間へと導入された温度より高くなるであろう。既知の方法及びデバイスでは、この温度の上昇は、第２の側の作物の成長がさもなければ第１の側のものから逸脱し過ぎてしまうであろうことから、狭い範囲内でのみ容認可能である。これは従って、第１の側から第２の側までの最大距離に対して、及びそれにより、栽培空間がこれらの向かい合う両側の間にわたり得、且つわたることができる最大距離に対して制約を課し、及びそれにより、デバイスの経済効率に対して制約を課す。

本発明の目的は従って、中でもとりわけ、栽培空間の第１の側と第２の側との間での周囲温度のより大きい逸脱を可能にする、日光のない環境における作物の調整された栽培及び生産のための方法及びデバイスを提供することである。

記載された目的を達成するために、序文において説明されたタイプの方法は、人工光源のアレイが、少なくとも第１の側から第２の側の方向に向かって作物の上方に空間的に分配され、及び、作物の上方を導かれる空気流の流れの向きにおいて見られるように、より高い線量の光合成有効放射線が、さらに上流に位置する光源でよりも、さらに下流に位置する光源のアレイのうちの光源で作物に提供される、本発明に従う特徴を有する。序文において説明されたタイプのデバイスは、この目的のために、人工光源のアレイが、少なくとも第１の側から第２の側の方向に向かって栽培空間の上方に空間的に分配され、及び第２の側にさらに向かって位置する光源のアレイのうちの光源が、第１の側にさらに向かって位置する光源より高い全線量の光合成有効放射線で動作することが可能であり、且つ動作するように構成される、本発明に従う特徴を有する。

本発明に従う方法及びデバイスでは、より高い線量の光合成有効放射線はこのことから、第１の比較的より冷たい側より、栽培空間の第２のより暖かい側の作物に照射期間ごとに提供される。これは、栽培空間の両側の、並びにその間の作物の光合成が、成長速度と少なくとも大部分においてペースを保つことを可能にする。この成長は必然的に、より冷たい場所でよりも、暖かい側でより速く進むであろうが、光合成有効放射線がより利用可能であるため、構成物質の生産も同様に、ここではより速く進むであろう。本発明に従う方法の好ましい実施形態は従って、作物が受ける光合成有効放射線の局所的線量が、作物の局所的成長速度に適合され、及び特に、それに正比例して制御されるという特徴を有する。収穫準備完了生産物中の構成物質の含有量はこのことから、空気流の必然的な加熱に関係なく栽培エリア全体にわたって一定のレベルに狭い範囲内で制御されることができ、それは、栽培エリアの第１の側と第２の側との間の距離がより大きくなることを可能にする。

本発明のお陰で、大部分において均一な生産物が、栽培エリア全体にわたって最終的に収穫されることができ、それは、第１の側でよりも、より暖かい第２の側でより早く行われるであろう。本発明に従う方法の特定の実施形態は、この目的のために、作物の上方を及び／又は作物を通り抜けて導かれる空気流の流れの向きにおいて見られるように、下流で栽培される生産物は、さらに上流で栽培される生産物より先に収穫されるという特徴を有する。収穫はここでは第２の側でより先に行われるが、そのロケーションにおける生産物は、第１の側で後になって収穫される生産物と、成長及び構成物（物質）に関して、大部分において同じであるだろう。

本発明が本質的に達成するものは、より高い温度に起因してより速く成長する作物が、増大された光合成の対象となることである。これを念頭に置いて、作物が栽培期間全体にわたってここで受ける光合成放射線の総量が、さらに上流に位置する作物によってより長い栽培期間のうちの他の部分において受けられているＰＡＲ放射線の総量に少なくとも大部分において等しくなるように、より多い線量又は量の光合成放射線が提供される。

より多くの光源がこれを達成するために下流に設けられることができるが、好ましい実施形態では、本発明に従う方法は、光源のアレイのうちの下流光源が上流に位置する光源より高い強度の光合成有効放射線で動作するという点において特徴付けられる。余分なＰＡＲ放射線は従って、余分な光源を収納するための任意の追加の空間も、その追加の投資も必要としない。本発明に従うデバイスの特定の実施形態は、この目的のために、光源が可変の強度の光合成有効放射線で動作することができる個々の照明器具を備えるという特徴を有し、ここにおいて、本発明に従うデバイスの好ましい実施形態は、照明器具が各々いくつかの光源、特に、いくつかの発光ダイオード（ＬＥＤ）を備えるという点において特徴付けられ、その光源は、器具内で個々に又はグループごとに制御可能である。

さらなる好ましい実施形態では、本発明に従う方法は、空気流が作物の上方を少なくとも実質的に層流として導かれるという点において特徴付けられる。本発明に従うデバイスの特定の実施形態は、この目的のために、空気流手段が、少なくとも実質的に層流として動作中に空気流がそこから出るプレナム壁を第１の側に備え、及び空気流手段が、少なくとも実質的に層流として動作中に空気流がそれにおいて受け入れられるプレナム壁を第２の側に備えるという特徴を有する。作物の上方での空気速度がこのことから許容可能な範囲内で調節されることができ、これが作物の発達を向上させるだけでなく、このことからまた、空気流について、１メートルの距離ごとに事実上一定の加熱を想定することが可能である。次いで、１メートルの距離ごとに作物にオプションとして連続的により多い線量のＰＡＲ放射線を提供することによって、本発明に従ってこれを活用することが可能である。

本方法の事実上の実施形態はここでは、特に、徐々により高い強度の光合成有効放射線で段階的に光源を動作させることによって、より高い線量の光合成有効放射線が光源のアレイのうちの光源で空気流の方向に向かっていくつかのステップで段階的に発生させられるという点において特徴付けられる。ＰＡＲレベルのそのような段階的な適応は実際には、栽培エリア全体にわたって十分に均一な収穫可能な生産物を提供するのに十分であることが分かる。

本発明の文脈では、エネルギーを節約し、且つ可能な限り外部の影響を除外するために、閉ざされた栽培環境が特に利用される。成長プロセスの完全な制御は、このように達成されることができる。この目的のために、本発明に従う発明の特定の実施形態は、循環手段が第２の側から第１の側に空気流を戻すように導き、及び循環するために設けられるという特徴を有する。栽培空間における所望される周囲気候を考慮して、本発明に従うデバイスの好ましい実施形態は、循環手段が、栽培空間へと空気流を再導入する前に空気流を処理することが可能であり、且つ処理するように構成される空気処理手段を備える、及びより具体的には、空気処理手段が、空気流に対して温度、相対気湿及び二酸化炭素濃度のうちの少なくとも１つを課すという特徴をここに有する。

本発明はここで、例証的な実施形態と添付の図面とに基づいてさらに解明されることになる。

本発明に従う、栽培空間を有するデバイスの例証的な実施形態の概略図を示す。

図は、そうでない場合は純粋に概略的であり、（常に）原寸通りに描かれている訳ではない。いくつかの寸法は特に、明確さのために、多かれ少なかれ誇張され得る。対応する部分は、同じ参照番号で図に指し示される。

図１の栽培環境は、第１の側１から反対の第２の側２にわたる気候セル１０を備える。その中に空洞１３を有する第１の側のプレナム壁１１、１２は、第１の側の栽培空間の境界を形成し、その一方で、その中に空洞２３を有する反対の第２のプレナム壁２１、２２は、反対の第２の側の栽培空間を境界付ける。栽培空間に面する両方の前壁１２、２２は、それらの表面全体にわたって空気開口部を設けられる（図示せず）。栽培空間には、作物４５が栽培されるいくつかの作物テーブル４０が位置付けられる。これは、照明器具６０のアレイからの人工光下での日光のない栽培を伴う。

照明器具６０は、この例では、光合成有効放射線、又は作物の葉（緑）が光合成による二酸化炭素の同化を持続することを可能にする放射線を放射する多数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を備える。それらダイオードは、いくつかの別個の器具６０中に収納され、及び強度についてその中で個々に又はグループごとに制御可能である。本願において光源への言及がなされる場合、これは、オプションとして他の放射線源と組み合わせて、そのようなダイオードそれ自体、並びに、そのダイオードがダイオードの集合体に収納される器具、を意味すると理解されることができることにここで留意されたい。照明器具６０は、作物の上方に規則的な方法で分配され、及びそれにより、作物４５上で実質的に均質な放射パターンを生成し、ここにおいて、各苗は、十分なＰＡＲ放射線を受ける。

図は、単一の気候セル１０を示しているが、実際には栽培デバイスは、いくつかのそのような気候セルを互いに隣接して及び／又は互いの上に備えることになり、ここにおいて、同じ作物が、個々のセルにおいて栽培されることも、されないこともあり得る。及び、１つの層しか図には示されていないが、栽培は実際には、複数の層で行われることもでき、ここにおいて、図に示されている設定は、何回も、例えば、６〜８回、高さ方向に繰り返される。

空気循環システム３０は、第１のプレナム壁１１、１２の空洞１３に流れ出る。その中の空気開口部又は空洞の中の他の内部分配システムの空気抵抗は、壁１２にわたる供給された空気の均一な分配を提供し、それによって、それは、層流３５としてプレナムを去り、及び作物４５が栽培されている作物テーブル４０の上方を、作物テーブル４０を通り抜けて、及び作物テーブル４０に沿って、導かれる。壁１２の少なくとも大部分にわたる空気流３５の分配を通じて、空気流３５の空気速度は、十分に低く保たれることができるが、その一方で、作物の上方での十分な流量が、それにもかかわらず実現され、それにより、栽培空間における気候が、所望される値に調整されることができる。層流３５の空気速度は、この例では、典型的に０．２〜０．８ｍ／ｓの値に特に限定されることができる。

反対側で、ここでも前壁２２に設けられた空気開口部を介して空気流３５が受け入れられ、及び空洞２３を介して第２のプレナムから放出される。循環手段は、空気流３５が連続的に処理され、且つ再循環され続けるファン又はポンプ３８と組み合わせて、いくつかの空気処理デバイス３１〜３４を備える。空気処理デバイスはここで、空気流に対して特定の、及びそのように設定された気湿及び温度を課し、及びまた、所望される二酸化炭素濃度を提供する。加えて、フィルタリング及び／又は同様の設備が、空気流から望ましくない粒子及び微生物を除去するために、その中に設けられることができる。作物４５と連動する周囲気候を有する清浄な層流３５は、これによって常に、第１の側１で気候セル１０に入ることになる。

ＰＡＲ放射線に加えて、照明器具６０は必然的に、対流及び放射の形態で熱も発生させる。この熱は、通過する空気流によって少なくとも部分的に吸収され、それによって空気流、及びそれにより空間温度は、下流で、すなわち、第１の側１から第２の側２の方向に向かって、増大するであろう。栽培空間の第１の側１から反対の第２の側２までの長さに沿ったこの温度変動は、光源の光レベルと、空間を通り抜けて導かれる空気流の流量及び速度とに依存する。

第２の壁２１、２２のより近くに配置された作物４５は、この局所的により高い空間温度の結果として、第１の壁１１、１２に隣接して位置する作物より速く成長する。しかしながら、大部分において均一な収穫準備完了生産物が、栽培空間における位置に関係なく取得されることが概して望ましい。空気流３５の漸次的加熱に起因する記載された空間温度勾配は、この目的のために、それと平行して光勾配を課すことによって、本発明に従って補償される。収穫期間中に、作物はこのことから、下流、及び特に栽培空間の第２の側２の近くで、さらなる上流、特に第１の側１の近くで収穫される作物より高い線量のＰＡＲ放射線に日々曝される。作物が気候セル１０で曝される空気気候がより暖かいほど、作物はこれによって、より多くのＰＡＲ放射線を受ける。示されている設定では、器具の強度は、行Ａ〜Ｒごとに又はペアＡＢ、ＢＣ〜ＱＲごとにより高くなるように複数のステップで特に制御され、それによって、光強度は、少なくとも栽培期間の日中部分中に、第１の側から第２の側に向かって段階的に増大する。

その結果は、より暖かい第２の側でのより急速な成長が、作物の増大された光合成に関連するということである。収穫準備完了生産物中の構成物質含有量が最終的に大部分において均一となるように、光の強度は、光合成、及びそれにより作物中の構成物質の生産が少なくとも大部分においてより急速な成長とペースを保つように特に制御される。この目的のために、作物が受ける局所的線量の光合成有効放射線は、作物の局所的成長速度と特に連動し、及び特に、より高い強度で器具６０を漸進的に動作させることによって、それに正比例して調節される。作物はこれによって、さらに上流で栽培されている作物より先にさらに下流で収穫準備完了となり、及び従って、より早く収穫されることができる。この生産物は、しかしながら、さらに上流で栽培され、且つわずか数日後に又は数週間も後に収穫される生産物と、サイズ及び含有量に関して違いがないか、又はほとんど違いがない。

空気流の温度勾配の絶対的な高さ及び急峻さもまた、その空間を通り抜けて導かれる空気流の空気速度及び流量に依存する。第１及び第２のプレナム壁の壁エリアが一定のままであることから、空気速度と光強度との間のバランスは、収穫される作物の品質及び均一性を最終的に定義する。空間温度と（赤及び青のような）供給されるＰＡＲ放射線の強度との制御に加えて、層流、水分不足、及び空気速度による作物からの蒸発の独立制御のため、本発明に従うデバイスは、栽培者が大部分において均一な生産物を作り、且つ収穫することを可能にする。

本発明に従う栽培方法及び栽培デバイスは、実際に様々な作物に対してテストされている。ここに挙げる例では、レタスの栽培が利用された。これは、５週間の標準的な栽培周期を有し、ここにおいて、１週間につき１平方メートルあたり約１０グラムの構成物質（特に乾物）が生産される。空気流３５の流れの向きにおいて空間温度が上昇するため、作物は、入口側１でよりも、空気流の出口側２で約２０％より速く成長し、及びこの速度は、その間で徐々に増大するであろう。器具の光強度は、しかしながらまた、最終行が第１の行より約２０％高い光強度を与えるように、行方向Ａ〜Ｒに向かってより高いレベルに設定される。行Ａ〜Ｒでは、器具は、等しいレベルの光強度で動作する。最も下流に位置する作物の光合成、及びそれにより、作物における固形物の生産は、これによって、入口側１でよりも、約２０％より集約的になるであろう。約４週間後に、このことから、さらに２週間後に第１の側１でのみ収穫可能になるのと同じサイズ及び品質の生産物を出口側２で収穫することが可能になるであろう。これは、収穫生産物の均一性を向上させるだけでなく、空気流の流れの向きにおいて見られるようにさらに下流での栽培が行われることから、デバイスの効率性もまた有意により高まり、栽培周期がより短くなる。

本発明に従う方法はまた、トマトの栽培における収穫結果に対して好ましい効果を有する。トマトは、６０日で１００ｇの新鮮な実へと成長することができる。より高い温度においては、開花と収穫との間の時間は、例えば、５０日に短縮される。この短縮された時間中に、さらに下流に位置する作物のこのより暖かい部分に本発明に従って提供されるより高い放射強度は、６０日でさらに上流に位置する苗によって示される同化とほぼ同じくらい高い同化を全体的に提供する。より暖かい苗は、これによって、６０日で生産されるさらに上流に位置する実と同じ品質の実を、最終的に５０日で生産するであろう。

本発明は、単一の例証的な実施形態のみに基づいて上記にさらに解明されてきたが、本発明は、決してそれに限定されないことは明らかであろう。反対に、多くの変形及び実施形態が、当業者にとって本発明の範囲内で依然として可能である。

Claims (13)

1. 第１の側と反対の第２の側との間にわたる、少なくとも実質的に日光のない気候調整された栽培空間において作物を栽培するための方法であって、ここにおいて、前記作物は、空間的に隔てられた人工光源のアレイからの光合成有効放射線に曝され、及び、空気流は、前記第１の側から前記第２の側の方向に向かって前記作物の上方を及び／又は前記作物を通り抜けて導かれるものであり、
   人工光源の前記アレイは、少なくとも前記第１の側から前記第２の側の前記方向に向かって前記作物の上方に空間的に分配され、及び前記作物の上方を導かれる前記空気流の流れの向きにおいて見られるように、より高い線量の光合成有効放射線は、さらに上流に位置する光源でよりも、さらに下流に位置する光源の前記アレイのうちの光源で前記作物に提供されることを特徴とする、方法。
2. 前記作物が受ける光合成有効放射線の局所的線量は、前記作物の局所的成長速度に適合され、及び特に、それに正比例して制御されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記作物の上方を及び／又は前記作物を通り抜けて導かれる前記空気流の流れの向きにおいて見られるように、下流で栽培される生産物は、さらに上流で栽培される生産物より先に収穫されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 光源の前記アレイの下流光源は、上流に位置する光源より高い強度の光合成有効放射線で動作することを特徴とする、請求項１、２又は３に記載の方法。
5. 前記空気流は、前記作物の上方を少なくとも実質的に層流として導かれることを特徴とする、請求項１〜４のうちの１つ又は複数に記載の方法。
6. より高い線量の光合成有効放射線は、特に、徐々により高い強度の光合成有効放射線で段階的に前記光源を動作させることによって、光源の前記アレイのうちの前記光源で前記空気流の前記方向に向かっていくつかのステップで段階的に発生させられることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 作物を栽培するためのデバイスであって、第１の側と反対の第２の側との間にわたる、少なくとも実質的に日光のない気候調整された栽培空間と、前記作物が曝される光合成有効放射線を発生させ、且つ放射するための空間的に隔てられた人工光源の少なくとも１つのアレイとを備え、及び、前記第１の側から前記第２の側の方向に向かって前記栽培空間を通り抜けて空気流を導くための空気流手段を備えるものであり、
   人工光源の前記アレイは、少なくとも前記第１の側から前記第２の側の前記方向に向かって前記栽培空間の上方に空間的に分配され、及び、前記第２の側にさらに向かって位置する光源の前記アレイのうちの光源は、前記第１の側にさらに向かって位置する光源より高い全線量の光合成有効放射線で動作することが可能であり、且つ動作するように構成されることを特徴とする、デバイス。
8. 前記光源は、可変の強度の光合成有効放射線で動作する個々の照明器具を備えることを特徴とする、請求項７に記載のデバイス。
9. 前記照明器具は各々、いくつかの光源、特に、いくつかの発光ダイオード（ＬＥＤ）を備え、前記光源は、前記器具内で個々に又はグループごとに制御可能であることを特徴とする、請求項８に記載のデバイス。
10. 前記空気流手段は、少なくとも実質的に層流として動作中に前記空気流がそこから出るプレナム壁を前記第１の側に備え、及び前記空気流手段は、少なくとも実質的に層流として動作中に前記空気流がそれにおいて受け入れられるプレナム壁を前記第２の側に備えることを特徴とする、請求項７、８又は９に記載のデバイス。
11. 循環手段は、前記第２の側から前記第１の側に前記空気流を戻すように導き、及び循環するために設けられることを特徴とする、請求項１０に記載のデバイス。
12. 前記循環手段は、前記栽培空間へと前記空気流を再導入する前に前記空気流を処理することが可能であり、且つ処理するように構成される空気処理手段を備えることを特徴とする、請求項１１に記載のデバイス。
13. 前記空気処理手段は、前記空気流に対して温度、相対気湿及び二酸化炭素濃度のうちの少なくとも１つを課すことを特徴とする、請求項１２に記載のデバイス。

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