JP2023505143A - 農業用日光伝送照明システム及び組み合わせの温室及び照明方法 - Google Patents

Abstract

温室又は植物工場に適用される日光照明システムであって、コントローラ、集光ミラー、主駆動機構及び照射器（３１）を組み合わせることにより、日光を照射方向が安定し、光強度が制御可能な光照に変換し、高密度立体栽培棚（８１）の照明の需要に適する。組み合わせの温室（９２）をさらに含み、外立面又は頂部に光透過孔（９９）を有し、日光照明システムの主光軸は該光透過孔（９９）を通過する。組み合わせの照明方法をさらに含み、少ないステップで良い照明効果を得る。

Description

本発明は園芸栽培の分野に関し、具体的に、温室又は植物工場に一体に取り付けられ日光を利用して照明及び補光を行うシステム、及び前記システムに組み合わせた温室及び照明方法に関する。

現代農業発展の方向は施設農業であり、施設農業の発展方向は、農作物に対して正確な成長環境の調整制御を行うことができる植物工場である。農作物の成長に必要な水、空気、養分、温度及び湿度という点は、従来の調整制御の技術がいずれも成熟しており、光照の調整制御のみが比較的に困難であり、農業技術発展のネックとなる。

土地面積当たりのより高い利用率に達成するために、栽培方式は立体栽培の方向へ発展しつつある。現代の温室は一般的に栽培棚が設けられ、垂直栽培を行い、土地面積当たりの栽培面積を増加させることにより、収量を増加させる。例えば、立柱式栽培、Ａ字状フレーム式栽培、ドラム式栽培などがある。高密度立体栽培の定義は、露地栽培と温室栽培のうちの主流である平面栽培と異なって、高密度立体栽培の栽培棚は立体的に設けられ、栽培面積は平面に敷かれる場合、平面面積よりも明らかに大きいはずである。しかし、日光照明を直接に利用する温室では、このような設計の場合、栽培棚の最上層の栽培物のみが十分な日光を受けることができ、栽培棚の下層は上層及び隣接する栽培棚に遮蔽され、且つ太陽は東から登り西に沈み、日光の角度は常に変更することは、立体栽培棚の異なる位置の異なる時間の日照強度が変化するという問題も引き起こす。そして温室内の立柱及びブラケットも日光を遮蔽して影を投下し、温室内の一部の領域の光照が十分ではない状況を引き起こす。立体栽培棚が光照を遮蔽するという問題を避けるために、一般的には、立体栽培棚の間の距離を大きく設定し、そのため、栽培密度を低下させて、高密度立体栽培を実現することが困難である。

以上の課題を解決するために、ある技術案は、日光の代わりに人工光源で照明する方法を採用し、例えば、トマトを栽培するマルチスパンガラス温室では、垂直に登って成長する無限成長型トマトの植物冠層の下層の葉は上層の葉に遮蔽されて、十分な日光を得ることが困難であり、農業用ナトリウムランプを使用して補光しても、温室の頂部に設けられた農業用ナトリウムランプは依然として冠層の下層の葉までに照射することが困難であるため、一部の冠層の下層の健康な葉は取り除かれる。従って、オランダの科学研究者はトマトの冠層の下層にｌｅｄ補光装置を設けるということが報告された後に、中国国内のマルチスパンガラス温室の経営者も同様な補光方式を試し、より高い収量を取得した。

農作物の高密度立体栽培の課題を解決するために、近年では全人工光型植物工場が現れ、垂直農場とも呼ばれ、例えば米国の航空農業会社（ＡｅｒｏＦａｒｍｓ）及び中国の中科三安植物工場がある。多層栽培棚が設けられ、各層にいずれも人工光源によって照明し、高密度立体栽培の効果に達する。しかし、低い光照を必要とするレタスを栽培する場合であっても、省エネルギーの赤青ｌｅｄ光源を使用すると、平方メートル当たりの栽培面積照明は約１００Ｗの消費電力が必要となり、ムー（約666.7平方メートル）当たりの栽培面積の照明は６６ｋＷの消費電力が必要となることが報告されているため、エネルギー消費が高すぎ、栽培コストを向上させて、全人工光植物工場の発展が制限される。

日光は地球上で最も直接且つ有効な無料光源であり、日光はまた、地球の化石エネルギー、風力エネルギー及び水力エネルギーのエネルギー源であるため、他の技術チームも様々な技術案で日光照明での高密度立体栽培の課題を解決しようとする。

ある技術案は、移動可能な栽培棚を設計して日光の移動を追跡する。

中国国内の特許出願番号２０１４１０７８８３５５．１は、日光自動追跡式多層立体イチゴ栽培システムを開示し、モータによって栽培棚を日光に伴って回動させるように駆動することにより安定した照明を取得する。栽培棚自体の重量が大きいため、モータの消費電力も高いという問題が存在する。

シンガポールの緑色スカイ農場会社（ｓｋｙｇｒｅｅｎｓ）は、野菜の栽培溝が水力によって上下に循環するように駆動される栽培棚に存在し、各層の野菜をいずれも日光が十分な温室の頂部に順次に上昇させて日光の照明を受け、そして底部の水溝に順次に降下させて水分を吸収する。このような栽培方式は、栽培密度がマルチスパンガラス温室よりも何倍も大きく、高密度立体栽培に属し、野菜の収量もマルチスパンガラス温室よりも高い。水力駆動装置の稼働速度が遅く、各層の栽培溝の野菜が十分な強度の日光の照明を受ける時間が短く、照明不足の栽培棚の中、下層に位置する時間が長く、野菜の成長速度は単層栽培のマルチスパンガラス温室よりも遅いという問題が存在する。栽培密度がマルチスパンガラス温室よりも何倍も大きいが、収量はそれなりに向上せず、照明不足という問題に制限される。

中国の中環易達会社は、移動式多層立体軌道栽培システムを開発し、野菜栽培溝は多層立体軌道に移動し、一般的なマルチスパン温室における立体栽培棚の異なる位置の日光照明の強弱が異なることで野菜の成長速度が異なるという問題を改善する。近年では中国国内の農業博覧会は、栽培溝が軌道に吊り下げられ、軌道によって栽培溝を光照の強い領域に順次に輸送し、また光照の弱い領域に輸送するという設計をさらに展示した。栽培密度が近い状況では、この二つのタイプの日光照明の効果はシンガポールの緑色スカイ農場と類似する。

本分野の関連特許を検索する際、本分野において光ファイバ技術とライトパイプ技術を用いる幾つかの技術案を発見した。

中国国内実用新案出願番号２０１５２０４３１６９４．４と中国国内発明出願番号２０１７１０９０５６９８．５という二つの技術案はいずれもライトパイプを光の中間伝送媒体として利用する。ライトパイプ伝送の光損失が比較的に大きく、ライトパイプが長いほど直径が小さく、反射の回数が多いほど損失が大きくなるという問題が存在する。例えば、反射率が０．９５であるライトパイプは、１０回の内部反射を経た後の光エネルギー損失が４０％を超え、採光カバーの損失、接続箇所の損失、拡散器の損失を加え、光エネルギーの総合損失が大きすぎる。

中国国内実用新案出願番号２０１１２０３６１８０９．９と中国国内発明出願番号２０１１１０１２１９８５．Ｘの技術案はいずれも、光ファイババンドルを光の中間伝送媒体として利用し、そのうち、光カプラ、光ファイバ伝送、分光器、出光灯具はいずれも光損失を引き起こし、光エネルギー損失が大きいという問題も存在する。そして、異なるスペクトルに対する光ファイバの透過率は異なり、特に、紫外線及び赤外線に対して大きな遮蔽作用を有し、紫外線及び赤外線が植物の生長に有利である。

ライトパイプ照明技術及び光ファイバ導入照明技術は、居住建築及び公共建築における照明に多く適用され、晴れる日の直射日光の光照強度は６万～１０万ｌｘに達することができ、中国の『建築照明設計基準』によれば、居住建築の光照強度は３０ｌｘ～３００ｌｘだけを必要とし、公共建築は５０ｌｘ～５００ｌｘを必要とし、日光の光照強度は建築照明の需要の数百倍から数千倍の強度になる。従って、ライトパイプ照明技術と光ファイバ導入照明技術の光エネルギー伝播は損失が大きいが、一般的な建築照明の需要を満たすこともできる。

しかし、植物の成長に必要な光照強度は、生活に必要な光照強度の何倍よりも多く、例えば、レタスの光補償点は３０００ｌｘに近く、光飽和点は７００００ｌｘであり、３０００ｌｘよりも低い光照強度である場合レタスが枯れ、人工光植物工場で栽培されるレタスの照明についても、１００００ｌｘ以上であれば正常の成長に必要な条件を満たすことができる。

従来技術において一般的な建築照明を解決することができる技術案は農業照明の需要を満たすことができない。従って、採光効率が低く、光エネルギー伝播過程における損失が大きいライトパイプ技術と光ファイバ導入照明技術は、植物栽培分野に用いられることが困難である。

マルチスパンガラス温室とビニールハウスの日光照明はさらに他の問題が存在し、固定して建てられた温室とビニルハウスの採光面は固定されており、太陽が東から登り西に沈むことに伴って適切な採光角度を保持することができない。温室とビニルハウスは正午時に光照が強すぎて光抑制現象を引き起こしやすく、昼に温室内の温度が高すぎて植物の高温障害を引き起こしやすく、遮光と放熱を行う必要があるため、ガラス温室に遮光カーテンを設ける必要があり、ビニルハウスはビニルハウスの膜に散水することよって入射した光照強度を低下させる。従って、現在のガラス温室とビニルハウスは、多くの日光資源を浪費し、日光の利用率が低い。

従って、採光効果が良く、光伝送損失が少なく、照明光照の強度が植物の正常な成長の需要を満たすことが可能な日光照明システムが求められ、且つ該システムは高密度立体栽培の需要をさらに満たすこともできる。

本発明が解決しようとする課題は、日光照明が高密度立体栽培を実現することが難しいということであり、該課題を解決するために、本発明は、農業用日光伝送照明システム、及び前記システムに組み合わせる温室と照明方法を提供する。

本発明の農業用日光伝送照明システムは、コントローラ、集光ミラー、主駆動機構及び照射器を含み、コントローラの制御によって、集光ミラーは主駆動機構に駆動されて太陽を追跡し、日光を照射器に反射及び／又は屈折し、照射器は被照射物を照明する。

農業施設における固定して設置される立体栽培棚は、太陽の照射角度が絶えずに変化する場合異なる位置に栽培された野菜は依然として安定した照明を取得する構造を設計することが困難である。栽培装置が日光に伴って移動するように設計すれば、移動装置が複雑で、移動の重量負荷が大きくエネルギー消費が高いという問題をもたらす。本発明の農業用日光伝送照明システムを利用する場合、太陽が東から登り西に沈むことに伴って照射角度が絶えずに変化する日光を照射角度が安定した日光に変更させることができ、照射角度が安定する条件では、適応する高密度立体栽培棚を設計することができる。従って、本発明は、日光照明が高密度立体栽培を実現することが困難であるという問題を解決することができる。

好ましくは、照射器は、反射ミラー、透過ミラー、導光板又はそれらの組み合わせであり、照射器は微小藻又は植物を照明する。

照射器の異なる光学設計及び組み合わせは、微小藻又は植物に必要な光照強度と照明範囲に応じて設計することができ、様々な植物の成長の照明需要に適応することができるという利点を備える。例えば、強い光照を必要とする植物について、照射器は、照射面積を少し寄らせて光照を少し強めるように設計することができる。弱い光照を必要とする植物、例えば一般的な葉菜類の野菜、及びさらに弱い光照を必要とするサンシチ、ニンジン、石斛及びアネクトキルス（anoectochilus）などの貴重な生薬、及び微小藻について、照射器は、照射面積を向上させることができ、光照強度を低下させることができるように設計する。

好ましくは、集光ミラーと照射器との間の光路に、一つ以上の導光ミラーが設けられ、導光ミラーの形状は、平板形、円弧板形、輪形、角錐形、角柱形、風車形、羽根形であり、反射面は平面又は曲面であり、導光ミラー及び／又は照射ミラーは固定して取り付けられるか、又はサブ駆動機構に駆動されて移動する。

導光ミラーを増設した後、光路の方向をより柔軟に変更させることができ、施設内の障害物を迂回することができる。サブ駆動機構を増設した後、導光ミラーと照射ミラーは移動状態に変更することができ、移動する導光ミラー又は照射ミラーは光路の方向を変更することができ、出射された光束は走査効果を有し、照射された植物は走査光束によって明暗の切り替えられるパルス照明効果を得て、植物の光合成の光反応と暗反応の特徴に基づいて、明暗が切り替えられるように照明し、同様な光エネルギーによってより高い光エネルギー利用率を得ることができ、収量を向上させるために有利である。

好ましくは、補光ランプがさらに設けられ、補光ランプは駆動回路及び光源を含み、前記駆動回路は、パルス電流を出力して光源を点滅発光させるように駆動する。

補光ランプを増設した後、曇りの日又は夜間にも植物の正常成長を確保することができる。補光ランプによってパルス光を発する方式は、より省エネルギーの方式で植物に対して補光照明を行うことができる。

好ましくは、サブ駆動機構に駆動されて移動する導光ミラー又は照射器の前に補光ランプがさらに設けられ、補光ランプは駆動回路、集光ランプカバー、及び光源を含み、補光ランプから発した光束は、移動する導光ミラー及び／又は移動する照射器を介して被照射物に対して走査型照明を行う。

本好ましい技術案の有益な効果は、補光ランプから発した安定する光束は、移動する照射器又は導光ミラーを介してパルス光に変更することができ、より省エネルギーの方式で植物に対して補光照明を行うことができる。

太陽熱利用装置、例えば太陽電池パネル及び／又は太陽熱集熱管がさらに設けられ。太陽熱利用装置は集光ミラーの分岐光路に設けられるか、又は移動可能な導光ミラーの分岐光路に設けられ、集光ミラーは主駆動機構に駆動されて光束をメイン光路から分岐光路における太陽熱利用装置に移動させることができるか、又は導光ミラーはサブ駆動機構に駆動されて光束をメイン光路から分岐光路における太陽熱利用装置に移動させることができる。

太陽熱利用装置を増設した後、温室内で照明する必要がない場合、収集された日光を発電に用いるか、又は集熱するために用いられ、収集された熱量は温室の温度又は培養液の温度を向上させるために用いられることができる。日光を総合に利用する効果を実現する。

本発明は、農業用日光伝送照明システムに組み合わせる温室をさらに提供し、温室の外立面及び／又は頂部に一つ以上の光透過孔が設けられ、本発明の農業用日光伝送照明システムの主光軸は、そのうちの一つの光透過孔を通過し、温室内部に前記照射器の支持装置が設けられる。

本発明の温室は、本発明の日光伝送照明システムに組み合わせることができ、相応な光透過孔及び相応な取付位置を有し、温室内に本発明の農業用日光伝送照明システムに対応する高密度立体栽培施設を設けることができ、高密度立体栽培の効果をより良く実現することができる。

好ましくは、温室の上方に吊り下げ軌道が設けられ、農業ロボット及び／又は貨物かごは吊り下げ軌道において動作又は輸送することができる。

この吊り下げ軌道を増設した後、農業ロボットが温室内で作業することにさらに有利であり、このように、農業ロボットは通路位置を占める必要がない。

本発明は、日光を利用してより大きく、有効な照明栽培面積を取得する照明方法をさらに提供し、有効照明とは、植物の正常な成長に必要なものを満たすことができる照明を指し、方法のステップは、
集光ミラーは主駆動機構に駆動されて太陽を追跡するステップａと、
集光ミラーは日光を照射器に反射及び／又は屈折するステップｂと、
照射器は微小藻又は植物に対して照明を行うステップｃとを含む。

その有益な効果は、日光を効率的に収集し、日光を伝送することができ、光エネルギー損失を減少させることである。

好ましくは、方法のステップｂは、
集光ミラーは日光を導光ミラーに反射及び／又は屈折するｂ１１と、
導光ミラーはサブ駆動機構に駆動されて回転し、走査の方式で光束を複数の照射器に投射するｂ１２とに分けることができ、
好ましくは、方法のステップｂは、
集光ミラーは日光を導光ミラーに反射及び／又は屈折するＢ２１と、
導光ミラーは日光をサブ駆動機構に駆動されて移動する照射器に反射するＢ２２とに分けることができる。
その有益な効果は、植物の光合成の光エネルギーに対する利用率をさらに向上させ、日光収集面積が同じである場合、有効な照明面積をさらに向上させて、栽培密度を向上させることである。

本発明をベランダ栽培に適用した概略図である。

本発明をマルチスパン温室栽培に適用した概略図である。

本発明を本発明に組み合わせた多層温室栽培に適用した概略図である。

本発明を光生物反応器に適用し微小藻を培養する概略図である。

本発明を固定導光ミラーと移動照射器を組み合わせた温室栽培に適用した概略図である。

本発明を移動導光ミラーと複数の固定照射器を組み合わせた場合に適用した部分概略図である。

以下は、添付図面を結び付けながら、具体的な実施例に基づいて本発明をさらに説明する。

図１を参照して、図１は、本発明を高層住宅のベランダ栽培に適用した概略図である。主駆動機構は、ピッチ駆動軸２１、垂直アーム２２及び水平駆動軸２３で構成される。水平駆動軸２３は固定ブラケット９４によってベランダガードレール９１の外部に取り付けられ、ピッチ駆動軸２１は反射集光ミラー１１に接続される。コントローラは隠れて取り付けられることができ、例えば主駆動装置内に設けられることができる。栽培棚８１はベランダ内に垂直に設けられ、栽培棚８１に花又は野菜４１が栽培される。一つの照射器３１が設けられ、この照射器３１は平面反射ミラーであり、固定ブラケット９４によってベランダの頂部に取り付けられる。

本実施例が動作する場合、コントローラは制御信号を出力して主駆動機構の水平移動軸２３とピッチ移動軸２１を駆動し、反射集光ミラー１１が太陽０１を追跡するように駆動し、日光０２を照射器３１に反射する。照射器は花又は野菜４１を照明する。

緯度が高い地域では、反射集光ミラー１１と主駆動機構はベランダガードレール９１内に設けられてもよく、年間に遮蔽のない採光を保持してもよい。栽培棚８１の設置方向は、ベランダの左右両側の壁体に設けられてもよい。照射器３１は非球面反射ミラーに改善されれば、光学設計に基づいて異なる位置の栽培棚の照明をより均一にさせることができる。照射器は様々な光学設計をさらに有してもよい。

図２を参照して、図２は、本発明をマルチスパン温室栽培に適用した概略図である。温室の透光天井９３に主駆動機構が取り付けられ、主駆動機構は、ピッチ駆動軸２１、傾斜アーム２４及び水平駆動軸２３で構成される。ピッチ駆動軸２１はフレネルコンデンサレンズ１２に接続される。コントローラは隠れて取り付けられることができ、例えば、主駆動装置内に設けられることができる。栽培棚８１はＡ型ラックであり、マルチスパン温室内に設けられ、栽培棚８１にはガスミスト栽培法で花又は野菜４１が栽培される。照射器は導光板構造であり、導光板光吸収部３４と導光板発光部３３で構成される。温室の上方にパルス補光ランプ６１がさらに設けられ、パルス補光ランプ６１は固定ブラケット９４によって温室フレームに取り付けられる。パルス補光ランプ６１の照射領域は、導光板の光吸収部３４である。

本実施例が動作する場合、コントローラは制御信号を出力して主駆動機構の水平移動軸２３とピッチ移動軸２１を駆動し、フレネルコンデンサレンズ１２が太陽０１を追跡するように駆動し、日光０２を集光して透明材質に覆われる光透過孔９９を介して照射器の導光板光吸収部３４に照射する。導光板発光部３３は、日光０２をマルチスパン温室内において導光板の周りに設けられた栽培棚８１における花又は野菜４１に発散して照射させる。曇りの日又は夜間に、パルス補光ランプ６１は動作を開始し、パルス光を発し導光板光吸収部３４に照射し、導光板発光部３３によって栽培された花又は野菜４１に補光照明を行う。

０３は光スポット概略図である。

図３を参照して、図３は、本発明を本発明に組み合わせた多層温室栽培に適用した概略図である。主駆動機構は、ピッチ駆動軸２１、垂直アーム２２及び水平駆動軸２３で構成される。主駆動装置のベースは地面又は温室９２よりも低い付近のフロアに取り付けられる。一つの温室は複数の主駆動機構と集光ミラーを設けることができる。ピッチ駆動軸２１は反射集光ミラー１１に接続される。コントローラは隠れて取り付けることができ、例えば主駆動装置内に設けることができ、コントローラは無線接続の方式で主駆動機構、サブ駆動機構２５及び２６の動作を制御する。栽培棚８１は温室９２内に水平に設けられ、土耕栽培又は水耕栽培であり、栽培棚８１には花又は野菜４１が栽培される。照射器のタイプは分光器３５であり、分光器３５はサブ駆動機構２５によって温室の頂部に取り付けられ、分光器３５は光学設計によって一方向の光を複数の方向の光に反射することができる。温室の上方に定流量補光ランプ６２がさらに設けられ、定流量補光ランプ６２はサブ駆動機構２６によって温室の上方に取り付けられる。温室９２の中上部に水平移動ガイドレール９５がさらに設けられ、ロボット９６はガイドレールに吊り下げる方式で動作する。温室の外立面に太陽熱利用装置９８がさらに設けられ、この太陽熱利用装置９８は太陽電池パネル又は集熱管で構成される。

本実施例が動作する場合、コントローラは制御信号を出力して主駆動機構の水平移動軸２３とピッチ移動軸２１を駆動し、反射集光ミラー１１が太陽０１を追跡するように駆動し、日光０２を集光して光透過孔９９を通過させて分光器３５に照射する。分光器３５によって反射された複数の方向の日光０２はそれぞれ複数の栽培棚８１における花又は野菜４１を照明し、分光器３５はさらにサブ駆動機構２５に駆動されて、紙面に垂直する往復回動を行うことにより、紙面に垂直する走査光スポットを生成し、より広い領域の栽培棚８１における花又は野菜４１に対して走査型パルス照明を行う。曇りの日又は夜に、定流量補光ランプ６２は動作を開始し、サブ駆動機構２６に駆動されて紙面に水平する回動又は紙面に垂直する回動を行うことができ、より広い領域の栽培棚８１における花又は野菜４１に対して補光照明を行う。日光０２があるが照明を必要としない場合、主駆動機構は集光ミラーを駆動して光スポットをメイン光路から移動させて、分岐光路の太陽熱利用装置９８に向けさせ、発電又は集熱を行う。収集された熱量は、温室９２の昇温に用いられることができ、寒冷環境で室温を速やかに向上させることができ、栽培棚８１における培養液を保温、昇温することもできる。

図４を参照して、図４は、本発明を光生物反応器に適用し微小藻を培養する概略図である。主駆動機構は、ピッチ駆動軸２１、Ｌ字型クランクアーム２４及び水平駆動軸２３で構成される。主駆動機構は温室の頂部に取り付けられる。ピッチ駆動軸２１は反射集光ミラー１１に接続される。下向き導光ミラー５４は一軸移動するサブ駆動機構２７に駆動されてピッチ回動を行い、光束を下に向けさせて光透過孔９９を通過させる。サブ駆動機構２７と下向き導光ミラー５４を取り付けるための固定ブラケット９４は集光ミラー１１のミラー本体に固定して接続される。振動導光ミラー５１は温室９２の内部に設けられ、振動導光ミラー５１の回動軸は一つのガルバノミラーモータに接続される。コントローラは隠れて取り付けられることができ、例えば主駆動装置内に設けられることができ、コントローラは無線接続の方式で主駆動機構、サブ駆動機構２７及びガルバノミラーモータの動作を制御することもできる。栽培領域に複数の光生物反応器８２が設けられ、光生物反応器内に培養液と微小藻４２がある。一つ又は複数の光生物反応器には円筒型に巻かれた一つ又は複数の導光板発光部３３が挿入され、導光板の一方端に導光板光吸収部３４がある。温室の頂部に光透過孔９９がさらに設けられ、光透過孔９９の付近の温室の頂部に太陽熱利用装置９８が設けられ、この太陽熱利用装置９８は太陽電池パネル及び／又は集熱管で構成される。

本実施例が動作する場合、コントローラは制御信号を出力して主駆動機構及びサブ駆動機構２７、振動導光ミラーのガルバノミラーモータをそれぞれ駆動する。反射集光ミラー１１の光学主軸は太陽に正対しており、太陽０１を追跡し、日光０２を下向き導光ミラー５４に集光し、下向き導光ミラー５４は日光を下に向かせるように伝導し、光透過孔９９を通過して振動導光ミラー５１に照射する。振動導光ミラー５１はガルバノミラーモータに駆動されて回動軸に沿って往復回転し、光束を往復揺動の走査光束に反射し、光束は様々な導光板光吸収部３４に順次に走査して照明し、導光板によって吸収された光線は、導光板発光部３３によって光生物反応器の培養液において微小藻を照明する。日光０２があるが照明を必要としない場合、サブ駆動機構２７は下向き導光ミラー５４を駆動して光スポットをメイン光路から移動させて、分岐光路の太陽熱利用装置９８に向けさせて、発電又は集熱を行う。収集された熱量は、温室９２の昇温に用られることができるとともに、光生物反応器８２の培養液の昇温に用いられることもできる。

図５を参照して、図５は、本発明を固定導光ミラーと移動照射器を組み合わせた温室栽培に適用した概略図である。主駆動機構は、ピッチ駆動軸２１、垂直アーム２２及び水平駆動軸２３で構成される。主駆動装置のベースは温室の頂部に取り付けられる。ピッチ駆動軸２１は反射集光ミラー１１に接続され、反射集光ミラー１１のミラー面はタイヤ反射面である。固定下向き導光ミラー５２は、固定ブラケット９４によって温室９２の頂部、光透過孔９９の上方に取り付けられる。温室内にポリゴンミラーからなる角柱型照射器３６が設けられる。角柱型照射器３６の回動軸はサブ駆動機構２８に接続される。サブ駆動機構２８は温室内に固定して取り付けられる。栽培棚８１は垂直に設けられ、花又は野菜４１が栽培される。温室９２内に垂直な移動ガイドレール９５がさらに設けられ、ロボット９６と貨物かご９７はガイドレールで上下に移動し動作する。温室９２内に定流量補光ランプ６２がさらに設けられ、定流量補光ランプのランプカバーは集光ランプカバーとして設けられ、サーチライトのような集光光束を射出することができる。定流量補光ランプ６２は固定ブラケット９４によって角柱型照射器３６の隣に取り付けられ、傾斜方向に角柱型照射器の反射面を照射する。

本実施例が動作する場合、コントローラは制御信号を出力して主駆動機構及びサブ駆動機構２８をそれぞれ駆動する。反射集光ミラー１１は太陽０１を追跡し、日光０２を固定下向き導光ミラー５２に集光して日光を下に向かせるように伝導し、光透過孔９９を介して回転中の角柱型照射器３６を照射する。回転する角柱型照射器３６は、光束を上から下に向けて栽培棚８１を走査する走査光束として反射させる。角柱型照射器の照射面の数と回転速度が異なることに基づいて、栽培棚における花又は野菜４１が取得したパルス光照の明暗の切替周波数が異なる。角柱型照射器の反射面の曲面の光学設計が異なることに基づいて、栽培棚における花又は野菜４１が取得したパルス光照の瞬間的な光照強度と明暗のデューティ比が異なる。

図６を参照して、図６は、本発明を移動導光ミラーと複数の固定照射器を組み合わせた場合に適用した部分概略図である。多層栽培棚８１であって、各層の栽培棚の下部の栽培領域に花又は野菜４１が栽培される。各層の栽培棚の上部に照射器が設けられ、照射器は導光板タイプであり、導光板発光部３３の光線は下に向けて栽培領域を照明する。導光板の一方端に導光板光吸収部３４が突設される。様々な層の複数の導光板光吸収部３４の移動する導光ミラー５３に対する位置は視野において互いに遮蔽することがない。移動する導光ミラー５３は角錐形に設計され、複数の反射面を有する。回動軸はサブ駆動機構２８に駆動されて回転する。サブ駆動機構は固定ブラケット９４によって温室内に取り付けられる。

本実施例が動作する場合、コントローラはサブ駆動機構２８の回転を制御し、角錐型の導光ミラー５３を回動させるように駆動し、入射した光束を様々な層の導光板の光吸収部３４に順次に照射させて、導光板発光部３３によって栽培棚８１内の花又は植物４１に対してパルス照明を行う。

角錐型移動導光ミラーの照射面の数と回転速度が異なることに基づいて、栽培棚８１における花又は野菜４１が取得したパルス光照の明暗の切替周波数が異なる。角錐型移動導光ミラーの反射面の曲面の光学設計が異なることに基づいて、栽培棚における花又は野菜４１が取得したパルス光照の瞬間的な光照強度と明暗のデューティ比が異なる。

本実施例の照射器は、他の光学ミラーが組み合わせられた方式として設計されてもよく、例えば、光吸収部３４は一つの鏡面ミラーとして設計されてもよく、栽培領域頂部３３の領域の他面の反射ミラー又はポリゴンミラーと二重反射ミラーを構成し、移動導光ミラーから射出された光束は二回のみの反射を介して植物を照明することができ、光路はＺ字状である。本実施例の光路は鋸歯状であり、光線は導光板内に複数回の内部反射を行う。

本発明の実施の形態は上述した実施例に制限されず、当業者は、本発明に保護される技術案の範囲内で様々な変形例を設計することができ、又は類似する技術手段によって本発明と同様な技術効果を達することができる。本発明は次のような沢山な実施の詳細をさらに有する。

コントローラは太陽のリアルタイム位置情報を取得する方式は複数の種類があって、一番目の方式は、地元の地理位置のパラメータ及び太陽の周年の移動軌跡のパラメータを記録し、時間に基づいて太陽のリアルタイム高度角と方位角を算出し、対応する制御信号を出力し、本発明のシステムの動作を制御することである。二番目の方式は、コントローラは、実測した周年間の太陽の方位情報を入力し、時間に基づいて太陽のリアルタイム位置情報を算出して取得することである。三番目の方式は、光位置センサを増設し、光位置センサは集光ミラーに取り付けられることができ、太陽の位置情報をリアルタイムにコントローラにフィードバックし主駆動機構の移動を補正する。光位置センサはメイン光路に取り付けられてもよく、光路のオフセット情報をコントローラにフィードバックして補正を行う。コントローラは隠れて取り付けられることができ、例えば駆動機構と集積して取り付けられてもよく、建物の中にコントローラの産業用マザーボードを取り付けてもよい。一つのコントローラは一つの本発明のシステムを制御することができるとともに、複数の本発明のシステムを同時にクラスタ制御することもできる。コントローラの制御信号は、回線を介して主駆動機構に接続されてもよく、無線の方式で接続されてもよく、無線の方式で接続されたコントローラ、主駆動機構、及びサブ駆動機構には、それぞれマッチングする無線送受信ユニットが設けられる。

集光ミラーの構造は、フレネル集光ミラー、球面反射ミラー、非球面反射ミラー、放物面反射ミラー、軸外し放物面反射ミラー、望遠鏡分野の屈折反射ミラー、二重反射ミラー及びヘリオスタット分野で使用されるタイヤ面反射ミラー、又はヘリオスタットの平面鏡に固定曲面鏡を加えて組み合わせた二重反射集光ミラーであってもよい。集光ミラーの集光方式は二種類に分けられ、一番目は、集光ミラーの光学主軸は太陽に正対し、焦点の集光ミラーのミラー体に対する位置が一定である。二番目はヘリオスタット式集光である。集光ミラーにドーム型の保護カバーを増設してもよく、雨と塵を防止するために用いられる。

主駆動機構は少なくとも二つの移動軸を有し、一つは水平移動軸であり、太陽の方位角を追跡し、一つはピッチ移動軸であり、太陽の高度角を追跡し、例えばヘリオスタットの二軸駆動装置であり、水平移動軸及びピッチ移動軸との間は垂直アームで接続される。水平移動軸とピッチ移動軸との間に非垂直接続アームが設けられてもよく、非垂直接続アームは、一つの傾斜アーム又はＬ字型クランクアーム又はＵ字型クランクアームであってもよく、Ｕ字型クランクアームの底部は水平駆動軸に接続される。非垂直接続アームの長さは集光ミラーの焦点距離の０．３倍～２倍の範囲内である。このような設計の役割は、主駆動機構の水平移動軸が回転する時に、集光ミラーのミラー体は焦点近傍回りに回転することである。水平移動軸又はピッチ移動軸の構造はモータ又は減速装置であってもよい。主駆動機構はさらに他の方式で設計されてもよく、例えば三軸以上の移動機構も二つの移動軸による移動効果を実現することができる。

照射器の役割は被照射物に適切な照明条件を提供することである。照射器は反射ミラー、例えば球面反射ミラー、非球面反射ミラー、平面反射ミラー、拡散反射ミラーであってもよく、照射器は透過ミラー、例えば凸レンズ、凹レンズ、拡散透過ミラーであってもよく、照射器は導光板、導光柱であってもよく、照射器は、以上の様々な形式の光学ミラーを組み合わせて構成されてもよく、又は一つの照射器ミラー体に複数の反射面又は屈折面を有する。照射器は固定して取り付けられてもよく、サブ駆動機構に取り付けられてもよい。照射器によって照射された対象は光合成色素を有する生物、例えば光合成細菌、微小藻、植物である。照射器の設計及びレイアウトは、微小藻又は植物の必要な光照強度に応じて設計することができ、多くの光照を必要とする植物、例えば糧食作物、果物、熱帯植物について、照射器は照射面積が小さく、光照強度が強くように設計してもよい。弱い光照を必要とする植物、例えば一般的な葉菜類の野菜について、照射器は照射面積が大きくように設計してもよい。例えばｌｅｄをレタスを栽培する光源として用いられる場合、光照強度は直射日光の光照強度の十分の一から五分の一であれば、レタスの成長の需要を満たすことができる。このようにして、本発明は単位面積当たりの直射日光を収集すれば、数単位面積の栽培面積のレタスの栽培の需要を満たすことができる。より低い光照強度を必要とするサンシチ、ニンジン、石斛及びアネクトキルス（anoectochilus）などの貴重な生薬、及び微小藻などの場合、単位面積当たりの日光を収集すれば、十倍以上の単位面積の栽培と培養の需要を満たすことができる。

導光ミラーの役割は光路の方向を変更することである。導光ミラーは固定して取り付けられてもよく、サブ駆動機構に取り付けられてもよい。導光ミラーの形状は、平板形、円弧板形、輪形、角錐形、傘面形、ホーン形、角柱形、風車形、羽根形であってもよく、一つの導光ミラーは複数の反射面を有してもよく、反射面は平面、曲面又は鋸歯面である。一つの導光ミラーは、移動する状態では走査の方式で光束を同一空間の複数の照射器に導くことができ、各照射器が取得した光照は明暗の切替の光照である。採光条件と照射器条件が変化しない状況で、導光ミラーの反射面の数と回転速度が異なることに基づいて、各照射器が取得した光照の明暗の切替のパルス周波数が異なり、導光ミラーの反射面の光学設計が異なることに基づいて、各照射器が取得した光照の明暗の切替のデューティ比が異なる。このような条件では、照射器に照射された植物は、対応して明暗が切り替えられた光照を取得し、光照の瞬時の光強度の強弱と明暗のデューティ比は照射器の設計及び回転速度によって確定される。

サブ駆動機構について、本発明の実施例では、一つのシステムは一つ以上のサブ駆動機構を設けることができる。サブ駆動機構は、照射器に接続されるか、導光ミラーに接続されるか、又は補光ランプに接続されるように取り付けられてもよい。一軸移動機構であってもよく、二軸以上の移動機構であってもよい。サブ駆動機構は、単一のモータで構成されてもよく、又は伝動装置とともに構成されてもよい。伝動装置は歯車伝動、ベルト伝動又はリンク機構であってもよい。照射器又は導光ミラーを往復回動させるように駆動する技術案では、モータはガルバノミラーモータとして設計される。

補光ランプの光源は、農業用ナトリウムランプ又はｌｅｄランプであってもよく、又は他の発光スペクトルが植物に対して補光照明を行うために適切な人工光源であってもよい。補光ランプは駆動回路、光源及びランプカバーを含み、駆動電源は、直流出力であってもよく、光源を安定して発光させて、例えば、バラストであってもよい。駆動電源はパルス電流を出力するように設計されてもよく、駆動光源はパルス光を発光する。ランプカバーは光学によって集光ランプカバーとして設計されてもよく、拡散反射ランプカバーとして設計されてもよい。補光ランプは栽培される植物を直接に照射することができ、補光ランプの光束は照射器を介して植物に間接に照射してもよく、補光ランプの光束は、導光ミラーの反射を介して植物に照射することもできる。補光ランプは固定して取り付けられてもよく、サブ駆動機構に接続されてもよく、サブ駆動機構に駆動されて回動する。照射器及び／又は導光ミラーが移動状態にある場合、安定した光を発する補光ランプを直流駆動し、発した光束は移動する照射器及び／又は導光ミラーを介して走査型の光束に変更され、照射された植物は、明暗が切り替えられるパルス光を取得する。

本発明に設けられた太陽熱利用装置は、太陽電池パネル及び／又は太陽熱集熱管で構成される。太陽熱利用装置は集光ミラーの分岐光路に設けられてもよく、又は移動可能な導光ミラーの分岐光路に設けられてもよく、又は温室の頂部と外立面に設けられてもよい。植物栽培領域には照明を必要としない時、又は室温を向上させて暖房を取る必要がある時、集光ミラーは主駆動装置に駆動されて光束を太陽熱利用装置に照射するか、又は導光ミラーはサブ駆動装置に駆動されて光束を太陽熱利用装置に照射する。その有益な効果は日光の総合利用を実現することができることである。

本発明は、レンズ放熱装置をさらに増設してもよく、導光ミラー又は照射器に設けられてもよく、放熱器の放熱方式は、空冷、水冷又は半導体冷却であってもよい。

本発明の集光ミラー、導光ミラー、照射器は、容易に着脱交換可能な方式に設計されてもよく、レンズ体、固定ブラケット又は駆動機構の取付位置にそれぞれマッチングする係止装置及びロック装置を有する。

本発明の温室は単層構造又は多層構造である。温室の外立面及び／又は頂部に一つ以上の光透過孔が設けられ、前記農業用日光伝送照明システムの主光軸はそのうちの一つの光透過孔を貫通し、光透過孔は、外部と連通するように設置されてもよく、透明材料に覆われるように設計されてもよい。覆われる透明材料は、反射防止膜が塗布されてもよく、又はある波長帯の光照を遮断して弱める機能を有するフィルムが覆われる。温室内部に前記照射器及び／又は導光ミラーの固定ブラケットの取付装置が設けられ、サブ駆動機構を取り付けるための固定ブラケットの取付装置も設けられる。温室の頂部に設けられる光透過孔の縁部には雨を防止するための凸部又は溝が設けられる。温室の外立面に設けられる光透過孔は雨を防止する構造を有する。温室の頂部には主駆動機構を取り付けるための取付位置が設けられる。温室内の栽培棚は水平栽培棚、垂直栽培棚又は多層栽培棚である。温室の上方に吊り下げ軌道が設けられるか又は地面に垂直な軌道が設けられ、軌道には電気を取り出すための装置が組み合わせられ、農業ロボット及び／又は貨物かごは吊り下げ軌道で動作又は輸送することができる。温室の外立面と頂部に覆われる材料は非透光材料であってもよく、例えば、セメントの外立面と頂部とすることができる。多層温室では、二層以上を貫通する光透過孔をさらに設けられ、導光ミラーの光束を層を跨って伝播させる。多層の温室にエレベーターがさらに設けられ、人及び荷物を上下に運ぶ。層を跨る垂直軌道をさらに設けられ、ロボットは層を跨って動作する。

Claims (10)

1. コントローラ、集光ミラー、主駆動機構及び照射器を含み、コントローラの制御によって、集光ミラーは主駆動機構に駆動されて太陽を追跡し、日光を照射器に反射及び／又は屈折し、照射器は被照射物を照明することを特徴とする、農業用日光伝送照明システム。
2. 前記照射器は、反射ミラー、透過ミラー、導光板又はそれらの組み合わせであり、照射器は微小藻又は植物を照明することを特徴とする、請求項１に記載の農業用日光伝送照明システム。
3. 前記集光ミラーと前記照射器との間の光路に、一つ以上の導光ミラーが設けられ、前記導光ミラーの形状は、平板形、円弧板形、輪形、角錐形、角柱形、風車形、羽根形であり、反射面は平面又は曲面であり、前記導光ミラー及び／又は前記照射ミラーは固定して取り付けられるか、又はサブ駆動機構に駆動されて移動することを特徴とする、請求項１又は２に記載の農業用日光伝送照明システム。
4. 補光ランプがさらに設けられ、補光ランプは駆動回路及び光源を含み、前記駆動回路は、パルス電流を出力し光源を点滅発光させるように駆動することを特徴とする、請求項１又は２に記載の農業用日光伝送照明システム。
5. 前記サブ駆動機構に駆動されて移動する導光ミラー又は照射器の前に補光ランプがさらに設けられ、前記補光ランプは駆動回路、集光ランプカバー、及び光源を含み、前記補光ランプから発した光束は、移動する導光ミラー及び／又は移動する照射器を介して被照射物に対して走査型照明を行うことを特徴とする、請求項３に記載の農業用日光伝送照明システム。
6. 集光ミラーの分岐光路に太陽熱利用装置がさらに設けられ、前記集光ミラーは主駆動機構に駆動されて光束をメイン光路から分岐光路における太陽熱利用装置に移動させることができることを特徴とする、請求項１又は２に記載の農業用日光伝送照明システム。
7. 前記集光ミラー又は前記導光ミラーの分岐光路に太陽熱利用装置がさらに設けられ、前記集光ミラーは主駆動機構に駆動されて光束をメイン光路から分岐光路における太陽熱利用装置に移動させることができるか、又は前記導光ミラーはサブ駆動機構に駆動されて光束をメイン光路から分岐光路における太陽熱利用装置に移動させることができることを特徴とする、請求項３又は５に記載の農業用日光伝送照明システム。
8. 前記温室の外立面及び／又は頂部に一つ以上の光透過孔が設けられ、前記農業用日光伝送照明システムの主光軸は、そのうちの一つの光透過孔を通過し、温室内部に前記照射器の支持装置が設けられることを特徴とする、請求項１～７のいずれか１項に記載の農業用日光伝送照明システムに組み合わせる温室。
9. 前記温室の上方に吊り下げ軌道が設けられ、農業ロボット及び／又は貨物かごは吊り下げ軌道において作動又は輸送することができることを特徴とする、請求項８に記載の温室。
10. 集光ミラーは主駆動機構に駆動されて太陽を追跡するステップａと、
    集光ミラーは日光を照射器に反射及び／又は屈折するステップｂと、
    照射器は微小藻又は植物に対して照明を行うステップｃとを含むことを特徴とする、請求項１～９のいずれか１項に組み合わせて日光を利用してより大きく、効果的な照明栽培面積を取得する方法。

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