JP5576166B2

JP5576166B2 - 植物栽培システム及び植物栽培方法

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Publication number: JP5576166B2
Application number: JP2010088016A
Authority: JP
Inventors: 徹廣畑; 博行山下; 亘赤堀; 弘康藤原
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2010-04-06
Filing date: 2010-04-06
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2030-04-06
Also published as: JP2011217635A

Description

本発明は、光による植物栽培システム及び植物栽培方法に関する。

従来、太陽光や人工光源を反射するフィルムを用いて、反射光を植物に照射することで植物の成長を制御する方法が知られている。例えば、特許文献１では、特定の波長域の反射光を植物に照射することによって植物の成長を制御可能な植物成長制御用フィルムが開示されている。

特開２００７−２０４３９号公報

特許文献１では、反射光が植物に良く当るように、植物の下の土壌表面を植物成長制御用フィルムで被覆する方法が示されている。しかしながら、植物の生育用として太陽光と人工光源を併用する場合が考慮されておらず、その場合のエネルギーの利用効率が悪いという問題がある。

そこで、本発明は上記課題の解決のためになされたものであり、エネルギーの利用効率が高めることができ、かつ植物の成長を制御可能な植物栽培システム及び植物栽培方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の植物栽培システムは、内外を仕切る仕切り部材を含む植物栽培ハウスと、植物栽培ハウスの内部に設けられた所定の波長帯の光を発光する人工光源と、人工光源の発光を制御する発光制御装置とを有する植物栽培システムにおいて、仕切り部材が、太陽光が有する波長帯の光のうち人工光源から発光される所定の波長帯以外の光を透過し、かつ該所定の波長帯の光を反射するように構成されている。

このような植物栽培システムによれば、太陽光が有する波長帯の光のうち人工光源から発光される所定の波長帯以外の光は植物栽培ハウスの内外を仕切る仕切り部材を透過し、植物栽培ハウス内に照射される。さらに、発光制御装置によって発光が制御される、植物栽培ハウスの内部に設けられた人工光源から照射された光のうち、仕切り部材に向かって照射された光は、仕切り部材で反射され、植物栽培ハウス内に閉じ込められる。これにより、植物栽培ハウス内で栽培される植物には太陽光が有する波長帯の光のうち人工光源から発光される所定の波長帯以外の光及び人工光源から発光される光が効率よく照射されることにより、エネルギーの利用効率が高められると共に、植物の成長を制御可能な植物栽培が実現される。

また、人工光源は、複数の所定の波長帯の光を発光し、仕切り部材は、太陽光が有する波長帯の光のうち人工光源から発光される複数の所定の波長帯以外の光を透過し、かつ該複数の所定の波長帯の光を反射することが好適である。この場合、人工光源から発光される複数の所定の波長帯の光のうち、仕切り部材に向かって照射される複数の所定の波長帯の光は仕切り部材で反射されるため、人工光源から照射された複数の所定の波長帯の光は植物栽培ハウス内に閉じ込められる。その結果、植物の成長を制御する上で必要な複数の所定の波長帯の光を人工光源から発光することで、植物栽培ハウス内で栽培される植物に対し、植物の成長を制御する上で必要な複数の所定の波長帯の光が効率よく照射され、エネルギーの利用効率がさらに高められる。

また、仕切り部材は、人工光源から発光される複数の所定の波長帯の光を構成する各所定の波長帯の光を反射する部材を重ね合わせたものであることも好適である。この場合、所定の波長帯の光を反射する部材を重ね合わせることで、それら複数の所定の波長帯の光を反射する仕切り部材を構成することができ、人工光源から発光される複数の所定の波長帯の光を反射する仕切り部材を簡易かつ低コストで用意することができる。

また、仕切り部材は、ホトニック結晶を含む部材であることも好適である。この場合、人工光源から発光される所定の波長帯の光を反射する仕切り部材として、ホトニック結晶を含む部材を利用することができる。

また、仕切り部材において、ホトニック結晶は光を透過する透明基板上に積層されていることも好適である。また、仕切り部材において、ホトニック結晶は光を透過する透明物質で覆われていることも好適である。この場合、仕切り部材を傷や農薬などの薬品から保護することが可能となり、仕切り部材の耐久性を向上させることができる。

また、人工光源は、発光ダイオード又はレーザーダイオードであることも好適である。この場合、人工光源として、発光ダイオード又はレーザーダイオードを利用することができる。

また、本発明の植物栽培方法は、上述の植物栽培システムを用いて植物を栽培する植物栽培方法である。このような植物栽培方法によれば、太陽光が有する波長帯の光のうち人工光源から発光される所定の波長帯以外の光は植物栽培ハウスの内外を仕切る仕切り部材を透過し、植物栽培ハウス内に照射される。さらに、発光制御装置によって発光が制御される、植物栽培ハウスの内部に設けられた人工光源から照射された光のうち、仕切り部材に向かって照射された光は仕切り部材で反射され、人工光源から照射された光は植物栽培ハウス内に閉じ込められる。これにより、植物栽培ハウス内で栽培される植物には太陽光が有する波長帯の光のうち人工光源から発光される所定の波長帯以外の光及び人工光源から発光される光が効率よく照射されることにより、エネルギーの利用効率が高められると共に、植物の成長を制御可能な植物栽培方法が実現される。

本発明によれば、エネルギーの利用効率が高めることができ、かつ植物の成長を制御可能な植物栽培システム及び植物栽培方法を提供することができる。

本発明の実施例１に係わる植物栽培システムの構成図である。本発明の実施例２に係わる植物栽培システムの構成図である。図２の仕切り部材の構成図である。本発明の実施例３に係わる植物栽培システムの構成図である。図４の仕切り部材の構成図である。本発明の実施例４に係わる植物栽培システムの構成図である。図６の仕切り部材の構成図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係わる植物栽培システム及び植物栽培方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の実施例１に係わる植物栽培システム１の構成図である。植物栽培システム１は、電照菊を栽培するシステムである。電照菊とは、日照時間が短くなると開花するという短日性植物である菊の性質を利用し、人工的に日照時間を延ばして開花時期を調整する栽培方法で栽培された菊である。植物栽培システム１は、図１に示すとおり、内外を仕切るホトニック結晶フィルム２Ａ（仕切り部材）を含む植物栽培ハウス１Ａ（植物栽培ハウス）と、植物栽培ハウス１Ａの内部に設けられた波長λ１の光を発光する人工光源３Ａ（人工光源）と、人工光源３Ａの発光を制御する発光制御装置４Ａ（発光制御装置）と、植物栽培ハウス１Ａの内部に設けられた電照菊を栽培する土壌及び土壌に栽培されている電照菊などからなる栽培施設５Ａとを有する。

ホトニック結晶フィルム２Ａは、ホトニック結晶を含むフィルムである。ホトニック結晶とは、異なる屈折率をもつ物質を光の波長程度の大きさのユニットで周期的に配列した構造体のことである。この周期構造によって、特定の波長の光を完全に遮断するバンドギャップ（ホトニックバンドギャップ）が発生し、特定の光をその結晶構造に応じて制御できるようになる。ホトニック結晶は、特定の光の透過を遮断したり透過させたりすることが制御可能であるため、電磁波の反射・透過性能を制御できる素子（鏡など）を構築することが可能となる。

ホトニック結晶フィルム２Ａは、太陽光が有する波長帯の光のうち人工光源３Ａから発光される波長λ１以外の光を透過し、かつ人工光源３Ａから発光される波長λ１の光を反射するように構成されている。なお、ホトニック結晶フィルム２Ａは、波長λ１の光に対して高い反射率をもっているだけではなく、波長λ１以外の波長の光に対しては低い反射率をもっており、かつ波長λ１以外の波長の光に対して高い透過率をもっている。また、ホトニック結晶フィルム２Ａは、植物栽培ハウス１Ａを密封するように、地面と接する底面及び天井を含む側面に張られている。なお、例えば地面と接する底面など、植物栽培ハウス１Ａの一部にホトニック結晶フィルム２Ａが張られていなくてもよい。尚、波長λ１の一例としては、625nmである。

人工光源３Ａは、植物栽培ハウス１Ａ内の支柱などにより固定されている。人工光源３Ａは、電照菊の開花時期を遅らせる波長λ１の光を発光する発光ダイオードである。なお、人工光源３Ａは、発光ダイオードよりもスペクトル線幅が狭いレーザーダイオードであってもよい。

発光制御装置４Ａは、人工光源３Ａの照射量やタイミングを内蔵するタイマーや照度計からの信号によって制御する装置である。なお、図１に不図示の照度計は植物栽培ハウス１Ａの内と外との両方の照度を計ることができる。発光制御装置４Ａは、人工光源３Ａの発光を制御できるように、電気コード等を通じて人工光源３Ａと接続されている。図１では、発光制御装置４Ａは植物栽培ハウス１Ａの外に設置されているが、植物栽培ハウス１Ａの中に設置してもよい。

実施例１の植物栽培システム１において、昼間、日照が確保されている時間帯においては、広いスペクトルを有する太陽光のうち人工光源３Ａから発光される波長λ１以外の光が、ホトニック結晶フィルム２Ａを透過し、植物栽培ハウス１Ａ内に照射される。植物栽培ハウス１Ａ内に照射された太陽光により、栽培施設５Ａに栽培されている電照菊の生育が行われる。一方、夜間になると植物栽培ハウス１Ａ内の照度が落ち、照度計からの信号によって植物栽培ハウス１Ａ内の照度が落ちたことを感知した発光制御装置４Ａが、人工光源３Ａを発光させる。

電照菊は、人工光源３Ａによって発光された波長λ１の光を感じ、開花時期を遅らせる。この際、人工光源３Ａから照射される光のほとんどは、電照菊により吸収されることなく、ホトニック結晶フィルム２Ａに照射される。例えば、従来のビニルハウスにおいては、この光はビニルを透過してしまい、ビニルハウスの外へ散逸してしまう。本実施例１においては、ホトニック結晶フィルム２Ａは波長λ１の光を反射する性質を持つため、人工光源３Ａから照射された光は、植物栽培ハウス１Ａの外にほとんど漏れることなく、ホトニック結晶フィルム２Ａにより反射され、植物栽培ハウス１Ａ内の電照菊に照射されることになる。

すなわち、本実施例１において、電照菊の開花を調整するために消費する人工光源３Ａのエネルギーの利用効率が極めて良い。また、エネルギーの利用効率が良いために、結果的にエネルギーの消費量を抑えることができ、より経済的で、より自然環境にやさしい電照菊の栽培が可能となる。さらに、人工光源３Ａから照射された光は植物栽培ハウス１Ａの外にほとんど漏れることがないため、夜間の人工光が起因する環境の劣化などの光害を防ぐこともできる。

一般に、限られた敷地内で複数の植物栽培ハウスにより多種多様な植物の栽培が行われていると、ある植物栽培ハウスで利用されている照明が、別の植物栽培ハウス内の植物に照射され、悪影響を及ぼす可能性がある。本実施例１では、人工光源３Ａから照射された光は植物栽培ハウス１Ａの外にほとんど漏れることがないため、別の植物栽培ハウス１Ａ内の植物に悪影響を及ぼすことはない。つまり、限られた敷地内で複数の植物栽培ハウス１Ａにより多種多様な植物を最適な光環境条件で生育することができ、敷地の利用効率が高い栽培が可能となる。

なお、本実施例１では電照菊の開花時期を調整する植物栽培システム１を例示したが、本発明はこれに限るものではない。植物の生育を促進する光を利用する植物栽培システムや、野菜などの味の改質を促す光を利用する植物栽培システムなどにも適用できる。

図２は、本発明の実施例２に係わる植物栽培システム２の構成図である。植物栽培システム２は、電照菊を栽培するシステムであり、図２に示すとおり、内外を仕切る仕切り部材２Ｂを含む植物栽培ハウス１Ｂと、植物栽培ハウス１Ｂの内部に設けられた波長λ１の光を発光する人工光源３Ａと、人工光源３Ａの発光を制御する発光制御装置４Ａと、植物栽培ハウス１Ｂの内部に設けられた電照菊を栽培する土壌及び土壌に栽培されている電照菊などからなる栽培施設５Ａとを有する。

図３に示すように、仕切り部材２Ｂは、光を透過する透明基板であるガラス３Ｂとホトニック結晶フィルム２Ａとから構成されている。すなわち、仕切り部材２Ｂは、ガラス３Ｂ上にホトニック結晶フィルム２Ａが積層されて構成されている。なお、植物栽培ハウス１Ｂの内側がホトニック結晶フィルム２Ａであり、外側がガラス３Ｂであってもよいし、その逆でもよい。

ガラス３Ｂは太陽光及び人工光源３Ａが発光する光を透過する。つまり、仕切り部材２Ｂは、ホトニック結晶フィルム２Ａ単体での特徴と同じく、太陽光が有する波長帯の光のうち人工光源３Ａから発光される波長λ１以外の光を透過し、かつ人工光源３Ａから発光される波長λ１の光を反射するように構成されている。よって、実施例２の植物栽培システム２において、実施例１の植物栽培システム１と同一の作用効果が得られる。さらに、実施例２の植物栽培システム２において、仕切り部材２Ｂは、ガラス３Ｂ上にホトニック結晶フィルム２Ａが積層されていることから、ホトニック結晶フィルム２Ａを傷や農薬などの薬品から保護することが可能となり、ホトニック結晶フィルム２Ａの耐久性を向上させることができる。

図４は、本発明の実施例３に係わる植物栽培システム３の構成図である。植物栽培システム３は、電照菊を栽培するシステムであり、図４に示すとおり、内外を仕切る仕切り部材２Ｃを含む植物栽培ハウス１Ｃと、植物栽培ハウス１Ｃの内部に設けられた波長λ１の光を発光する人工光源３Ａと、人工光源３Ａの発光を制御する発光制御装置４Ａと、植物栽培ハウス１Ｃの内部に設けられた電照菊を栽培する土壌及び土壌に栽培されている電照菊などからなる栽培施設５Ａとを有する。

図５に示すように、仕切り部材２Ｃは、光を透過する透明基板であるガラス３Ｂと、ホトニック結晶フィルム２Ａと、光を透過する透明物質である膜３Ｃとから構成されている。すなわち、仕切り部材２Ｃは、ガラス３Ｂ上にホトニック結晶フィルム２Ａが積層され、さらにホトニック結晶フィルム２Ａは膜３Ｃで覆われて構成されている。なお、植物栽培ハウス１Ｃの内側が膜３Ｃであり、外側がガラス３Ｂであってもよいし、その逆でもよい。

ガラス３Ｂ及び膜３Ｃは太陽光及び人工光源３Ａが発光する光を透過する。つまり、仕切り部材２Ｃは、ホトニック結晶フィルム２Ａ単体での特徴と同じく、太陽光が有する波長帯の光のうち人工光源３Ａから発光される波長λ１以外の光を透過し、かつ人工光源３Ａから発光される波長λ１の光を反射するように構成されている。よって、実施例３の植物栽培システム３において、実施例１の植物栽培システム１と同一の作用効果が得られる。さらに、実施例３の植物栽培システム３において、仕切り部材２Ｃは、ガラス３Ｂ上にホトニック結晶フィルム２Ａが積層され、さらにホトニック結晶フィルム２Ａは膜３Ｃで覆われていることから、ホトニック結晶フィルム２Ａを傷や農薬などの薬品から保護することが可能となり、ホトニック結晶フィルム２Ａの耐久性を向上させることができる。

図６は、本発明の実施例４に係わる植物栽培システム４の構成図である。植物栽培システム４は、レタスを栽培するシステムであり、図６に示すとおり、内外を仕切る仕切り部材２Ｄを含む植物栽培ハウス１Ｄと、植物栽培ハウス１Ｄの内部に設けられた波長λ２の青色の光を発光する人工光源３Ｄ及び波長λ３の赤色の光を発光する人工光源４Ｄと、人工光源３Ｄ及び人工光源４Ｄの発光を制御する発光制御装置４Ａと、植物栽培ハウス１Ｄの内部に設けられたレタスを栽培する土壌及び土壌に栽培されているレタスなどからなる栽培施設５Ｄとを有する。波長λ２、波長λ３の一例としては、λ２が468nm、λ３が625nmでそれぞれ、茎・葉の生育促進と、光合成の促進という役目を負っている。

図７に示すように、仕切り部材２Ｄは、太陽光が有する波長帯の光のうち人工光源３Ｄから発光される波長λ２以外の光を透過し、かつ人工光源３Ｄから発光される波長λ２の光を反射するように構成されているホトニック結晶フィルム６Ｄと、太陽光が有する波長帯の光のうち人工光源４Ｄから発光される波長λ３以外の光を透過し、かつ人工光源４Ｄから発光される波長λ３の光を反射するように構成されているホトニック結晶フィルム７Ｄとを積層あるいは重ね合わせたものである。例えば、仕切り部材２Ｄは、ホトニック結晶フィルム６Ｄとホトニック結晶フィルム７Ｄとが貼り合わされて構成されている。なお、植物栽培ハウス１Ｄの内側がホトニック結晶フィルム６Ｄであり、外側がホトニック結晶フィルム７Ｄであってもよいし、その逆でもよい。なお、ホトニック結晶フィルム６Ｄは、波長λ２の光に対して高い反射率をもっているだけではなく、波長λ２以外の波長の光に対しては低い反射率をもっており、かつ波長λ２以外の波長の光に対して高い透過率をもっている。一方、ホトニック結晶フィルム７Ｄは、波長λ３の光に対して高い反射率をもっているだけではなく、波長λ３以外の波長の光に対しては低い反射率をもっており、かつ波長λ３以外の波長の光に対して高い透過率をもっている。

ホトニック結晶フィルム６Ｄとホトニック結晶フィルム７Ｄとを積層あるいは重ね合わせた仕切り部材２Ｄは、人工光源３Ｄから発光される波長λ２の光及び工光源４Ｄから発光される波長λ３の光を反射する。このように、波長λ２の光を反射する部材と波長λ３の光を反射する部材とを重ね合わせることで、波長λ２の光及び波長λ３の光を反射する仕切り部材２Ｄを構成することができ、人工光源から発光される複数の所定の波長帯の光を反射する仕切り部材を簡易かつ低コストで用意することができる。

人工光源３Ｄが発光する波長λ２の青色の光は、栽培施設５Ｄで栽培されるレタスの葉の形成を促す働きがある。また、人工光源４Ｄが発光する波長λ３の赤色の光は、栽培施設５Ｄで栽培されるレタスの光合成を促す働きがある。

実施例４の植物栽培システム４において、昼間、日照が確保されている時間帯においては、太陽光のうち人工光源３Ｄ及び人工光源４Ｄから発光される波長λ２及び波長λ３以外の光が仕切り部材２Ｄを透過し、植物栽培ハウス１Ｄ内に照射される。植物栽培ハウス１Ｄ内に照射された太陽光により、栽培施設５Ｄに栽培されているレタスの生育が行われる。一方、夜間になると植物栽培ハウス１Ｄ内の照度が落ち、照度計からの信号によって植物栽培ハウス１Ｄ内の照度が落ちたことを感知した発光制御装置４Ａが、人工光源３Ｄ及び人工光源４Ｄを発光させる。

この際、人工光源３Ｄから照射される青色の光と人工光源４Ｄから照射される赤色の光とは栽培施設５Ｄに栽培されているレタスの葉に照射されるだけでなく、仕切り部材２Ｄにも照射される。例えば、従来のビニルハウスにおいては、この光はビニルを透過してしまい、ビニルハウスの外へ散逸してしまう。本実施例４においては、仕切り部材２Ｄは波長λ２の光及び波長λ３の光を反射する性質を持つため、人工光源３Ｄ及び人工光源４Ｄから照射された光は、植物栽培ハウス１Ｄの外にほとんど漏れることなく、仕切り部材２Ｄにより反射され、植物栽培ハウス１Ｄ内のレタスに照射されることになる。

すなわち、本実施例４において、レタスの栽培のために消費する人工光源３Ｄ及び人工光源４Ｄのエネルギーの利用効率が極めて良い。また、エネルギーの利用効率が良いために、結果的にエネルギーの消費量を抑えることができ、より経済的で、より自然環境にやさしいレタスの栽培が可能となる。さらに、人工光源３Ｄ及び人工光源４Ｄから照射された光は植物栽培ハウス１Ｄの外にほとんど漏れることがないため、夜間の人工光が起因する環境の劣化などの光害を防ぐこともできる。

なお、本実施例４では青色と赤色の２種類の光を反射する例を示したが、更に様々な効果を持つ波長の光を追加してもよい。また、本実施例４では、人工光源３Ｄが波長λ２の青色の光を発光し、人工光源４Ｄが波長λ３の赤色の光を発光するとしたが、同一の人工光源が複数の波長の光を発光してもよい。例えば、人工光源３Ｄが波長λ２の青色の光及び波長λ３の赤色の光を発光し、人工光源４Ｄも波長λ２の青色の光及び波長λ３の赤色の光を発光する。

１…植物栽培システム、１Ａ…植物栽培ハウス、２Ａ…ホトニック結晶フィルム、３Ａ…人工光源、４Ａ…発光制御装置、５Ａ…栽培施設、２…植物栽培システム、１Ｂ…植物栽培ハウス、２Ｂ…仕切り部材、３Ｂ…ガラス、３…植物栽培システム、１Ｃ…植物栽培ハウス、２Ｃ…仕切り部材、３Ｃ…膜、４…植物栽培システム、１Ｄ…植物栽培ハウス、２Ｄ…仕切り部材、３Ｄ…人工光源、４Ｄ…人工光源、５Ｄ…栽培施設、６Ｄ…ホトニック結晶フィルム、７Ｄ…ホトニック結晶フィルム。

Claims

内外を仕切る仕切り部材を含む植物栽培ハウスと、前記植物栽培ハウスの内部に設けられた所定の波長帯の光を発光する人工光源と、前記人工光源の発光を制御する発光制御装置とを有する植物栽培システムにおいて、
前記仕切り部材が、太陽光が有する波長帯の光のうち前記人工光源から発光される所定の波長帯以外の光を透過し、かつ該所定の波長帯の光を反射するように構成されていることを特徴とする前記植物栽培システム。
前記人工光源は、複数の所定の波長帯の光を発光し、
前記仕切り部材は、太陽光が有する波長帯の光のうち前記人工光源から発光される複数の所定の波長帯以外の光を透過し、かつ該複数の所定の波長帯の光を反射することを特徴とする請求項１記載の植物栽培システム。
前記仕切り部材は、前記人工光源から発光される複数の所定の波長帯の光を構成する各所定の波長帯の光を反射する部材を重ね合わせたものであることを特徴とする請求項２記載の植物栽培システム。
前記仕切り部材は、ホトニック結晶を含む部材であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載の植物栽培システム。
前記仕切り部材において、前記ホトニック結晶は光を透過する透明基板上に積層されていることを特徴とする請求項４記載の植物栽培システム。
前記仕切り部材において、前記ホトニック結晶は光を透過する透明物質で覆われていることを特徴とする請求項４又は５記載の植物栽培システム。
前記人工光源は、発光ダイオード又はレーザーダイオードであることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項記載の植物栽培システム。
請求項１〜７の何れか一項記載の植物栽培システムを用いて植物を栽培する植物栽培方法。