JP6248256B2 - 完全人工光型植物栽培設備 - Google Patents

Description

本発明は、省エネルギーで運転可能な完全人工光型植物栽培設備に関するものである。

（植物工場への注目）
近年、野菜等の安全性や食糧の通年計画生産、安定供給の観点により、自然環境から隔離された人工環境下で光、温湿度、気流速度、二酸化炭素濃度を制御し、高品質・高機能な植物を高密度で生産する手法として植物工場が注目されている。その中でも完全密閉人工光型植物工場は、一定の収穫量で安定的に無菌・無農薬・ゼロベクレルの農作物を栽培可能な利点がある。

（コスト削減の要請）
しかしながら、完全人工光型植物工場は、従来の農業生産方法と比較して、照明費や空調費等の面で、植物の生産コストが高く、省エネによるコスト削減が大きな課題である。これにより、植物工場を事業化しても利益を出すことは困難となり、この分野の市場の広がりが妨げられているのが現状である。

（栽培棚内の温湿度分布や気流速度分布の制御の必要性）
一方、植物周囲の風速分布により、植物から発生する水蒸気、酸素（Ｏ_２）や二酸化炭素（ＣＯ_２）の濃度分布が栽培棚内に形成されるため、植物工場において栽培棚内の空気環境の制御は極めて重要である。特に、植物周辺の気流が滞り、自身の蒸散作用によって周囲の空気が飽和状態に近い高湿度になった場合、それ以降の蒸散が妨げられるため、根から水分と共に光合成に必要な養分を吸い上げることが困難となり、光合成速度と植物内の養分移動速度のバランスが崩れることによる植物のストレス応答及び生育障害等が発生する。更に、気流が停滞し、葉柄と茎の隙間に水滴が付着し続けた場合、カビ等の温床となる可能性がある。

このように、植物工場では温湿度と共に気流速度分布の制御が重要な課題であり、植物周囲の風速・濃度分布を栽培植物に対して適正に保つ空気環境制御方法の検討が不可欠である。

（先行技術文献の開示内容）
植物栽培装置に関する先行技術文献として、例えば、特許文献１が挙げられ、高光反射性の栽培パネルや高光反射性の反射板で栽培空間を覆うこと、及び、温度・湿度を調節する空調装置が既に開示されている。また、特許文献２〜４にも、反射板で栽培空間を覆うことが開示されている。

（反射率が生産コストに及ぼす影響）
しかしながら、特許文献１においては、白色塗装された反射板を使用すること以上の詳細、例えば、植物工場用反射板に求められる反射率の具体的な値や、反射率が植物工場の生産コストに及ぼす影響等についての定量的な検討結果は何も開示・示唆されていない。また、特許文献２や４の反射面には鏡面材が使用されることが開示され、特許文献３の反射面には白色樹脂板が使用されることが開示されているが、反射材に関するそれ以上の詳細な検討については、開示されていない。

（植物周囲の風速・濃度分布を適正に保つ流路構造の提供）
また、特許文献１での空気を取得・排出する流路構造は、栽培棚の側面に給気用或いは排気用ファンを設けただけの単純な構造であり、植物周囲の風速・濃度分布を適正に保つことのできるものであるとの確証は無い。なお、特許文献２〜４については、気流案内構造はおろか空調機器自体が取り付けられていない。

（ＬＥＤの利用とＬＥＤが発する光の指向性への対応）
また、特許文献１〜４では人工光源として蛍光灯が使用・開示されているため、照明費等の生産コストを十分に抑えることができない。なお、ＬＥＤ、特に点光源型のＬＥＤは、従来の蛍光灯に比べ照明費を抑制可能であるが、照射される光に指向性があるため、これを植物工場に採用した場合には、ＬＥＤとの相対位置によって、栽培棚内に定植した植物の育成（繁茂）具合に偏りが生じる恐れある。

特開２００３−３１００６９号公報 特開平０７−０５０９４１号公報 特開２００４−０２４０１８号公報 特開２００４−２９８１７１号公報

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、従来技術に比べて、照明の消費電力を抑えながら同等以上の収穫量が得られる完全人工光型植物栽培設備を提供することを目的とする。

また、本発明のもう一つの目的は、植物周囲の風速・濃度分布を適正に保持可能な完全人工光型植物栽培設備を提供することである。

また、本発明のもう一つの目的は、人工光源としてＬＥＤを利用でき、かつ、ＬＥＤが発する光の指向性に対応可能な完全人工光型植物栽培設備を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明に係る完全人工光型植物栽培設備は、例えば、以下の構成・特徴を備える。

（態様１）
直方体状を成し、該直方体の下面に植物の定植が可能な内部空間と、
前記内部空間に空気を供給する給気口と、
前記内部空間から空気を排気する排気口と、
前記内部空間を照射可能な複数のＬＥＤ光源と、
を有した栽培棚を備え、かつ、
前記内部空間の全面は、全反射率９５％以上の超高効率光反射材で覆われ、
前記給気口は前記内部空間の上面又は短辺側面の少なくとも一方に設けられるとともに、
前記排気口は前記内部空間の長辺側面の中央部分に設けられることを特徴とする完全人工光型植物栽培設備。
（態様２）
前記給気口は前記内部空間の前記中央部分を挟んで前記上面の左右に複数設けられることを特徴とする態様１に記載の完全人工光型植物栽培設備。
（態様３）
前記ＬＥＤ光源は複数の点光源であり、前記内部空間の全面の少なくとも一面に不均一に配置されていることを特徴とする態様１又は２に記載の完全人工光型植物栽培設備。
（態様４）
前記光反射材が光拡散型反射材であることを特徴とする態様１〜３のいずれかに記載の完全人工光型植物栽培設備。
（態様５）
前記光反射材の全反射率が９９％以上であることを特徴とする態様１〜４のいずれかに記載の完全人工光型植物栽培設備。
（態様６）
前記植物の生育状況及び生育条件に応じて、前記ＬＥＤ光源の一部又は全部を消灯可能な、又は、前記ＬＥＤ光源の一部又は全部で発する光量を変更可能な光環境制御装置をさらに備えていることを特徴とする態様１〜５のいずれかに記載の完全人工光型植物栽培設備。

本発明の栽培設備によれば、栽培棚の内部空間の全面（内壁の全六面）を超高効率光反射材（より好ましくは、超高効率の光拡散型反射材）で覆っているために、指向性の強いＬＥＤ光を高効率に反射（より好ましくは、拡散反射）させることができ、内部空間を均一に照射することが可能になる。

また、本発明の栽培設備によれば、従来技術では拡散反射せずに栽培棚外部へ熱として逃げていた光も、植物の光合成に利用することが可能となり、照明用電力を削減しながら植物の収穫重量を増加させることが可能となる。

さらに、本発明の栽培棚の内部空間に上部または側面から給気し長手方向の側面中央から排気する流路構造（気流案内構造）を設けることで、植物が光合成する際に放出したＯ_２や水蒸気を効率よく取り除き、植物の成長障害やカビの発生などを防ぐことができる。

本発明の栽培設備の数値解析モデルの概要を示した図である（実施例１）。 実施例１の数値解析結果（栽培設備の風速分布）を示した図である。 実施例１の数値解析結果（栽培設備の拡散物質度分布）を示した図である。 実施例２及び比較例に用いる実験用栽培棚の外観を示した図である。 各栽培条件における１日当たりの電力消費量を示した図である。 各栽培条件の平均重量、最大重量及び最小重量、並びに総重量及び変動係数を示した図である。 各栽培条件の単位電力消費量当たりの収穫重量及び単位照明用電力消費量当たりの収穫重量を示した図である。

以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づき説明するが、本発明は、下記の具体的な実施形態に何等限定されるものではない。

本発明の完全人工光型植物栽培設備は、直方体状を成しかつ該直方体の下面に植物の定植可能な内部空間を有した栽培棚を備える。この内部空間には、空気を供給する給気口と、この内部空間から空気を排気する排気口と、この内部空間を照射可能な複数のＬＥＤ光源と、がさらに設けられる。なお、給気口には外部空間から内部空間へ空気等の気体を供給する給気用ファンが取り付けられていることが好ましい。

ここで、この内部空間の全面（内壁の全六面）は、全反射率９５％以上の超高効率光反射材で覆われることに留意されたい。さらに好ましくは全反射率９９％以上である。また、本発明の光反射材には、反射板表面が鏡面を成す正反射型を用いても良いが、より好ましくは、拡散型光反射材を用いる。拡散型は、正反射型と異なり、光の鏡面反射のような現象を抑えることができるため、植物の栽培管理においてその作業性や植物の視認性を向上させることができる。なお、従来技術で良く用いられている鏡面等の光反射材の全反射率は、通常、８０〜８５％であり、反射板表面が鏡面の正反射材がよく利用されている。

この超高効率光反射材の被覆により、栽培棚の内部空間において指向性の強いＬＥＤ光を高効率に拡散反射させることができ、内部空間を均一に照射することが可能になる。つまり、この極めて高い全反射率の使用により、ＬＥＤを内部空間のどこに配置しても、ＬＥＤで発せられた光は驚くほど反射拡散して植物の育成に貢献する。別言すれば、従来設備では栽培棚の上面等に人工光源を規則正しく均一に配置する必要があったが、本発明の栽培棚では上面に限らず、全面のいずれか一面あるいは内部空間の隅部等に複数のＬＥＤ光源を不均一に置いても差し支えない。特に、点光源タイプのＬＥＤを利用することで、内部空間内の給気口や排気口の設置による制約を受けにくく、所望の光量が得られる個数分のＬＥＤを任意の位置に不均一に配置することができ、植物工場を構造設計する際の自由度が格段に向上する。さらに付言すれば、必要な光量を確保できれば、各ＬＥＤの大きさや寸法が異なってもよく、ＬＥＤ素子選択や設計の自由度が向上し、栽培装置（植物工場）の低廉化にもつながる。従って、本発明は、省エネ（消費電力の抑制）によるランニングコストの低減のみならず、初期投資コスト（建設コスト）をも抑制できるようになる。

また、次に本発明の栽培棚に設ける気流案内構造について説明する。前述の給気口を前述の内部空間の上面又は左右側面の少なくとも一方に設けるとともに、排気口を内部空間の長手方向（設備長辺側）の中央部分に設けることによって、内部空間に気流案内構造の役目を担わせている。さらに好ましくは、給気口は前記内部空間の前記中央部分を挟んで前記上面の左右に複数に設けられる（後述の実施例（ＣＦＤ解析結果）も参照）。この気流案内構造を設けることで、植物が光合成する際に放出したＯ_２や水蒸気を効率よく取り除き、植物の成長障害やカビの発生などを防ぐことができる。

また、本発明の植物栽培設備においては、植物の生育状況及び生育条件に応じて、ＬＥＤ光源の一部又は全部を消灯可能な、又は、ＬＥＤ光源の一部又は全部で発する光量を変更可能な光環境制御装置をさらに備えていることが好ましい。これにより、植物の生育完了時期（出荷時期）を調節したり、余分な消費電力をさらに削減したりすることが可能になる。

（ＣＦＤ解析の概要）
実施例１では、栽培設備内の空気環境制御方法を検討するため、数値流体解析（ＣＦＤ）を行った。図１に本発明の栽培設備の数値解析モデルの概要を示す。図１（ａ）ではｃａｓｅＡのモデルを、図１（ｂ）ではｃａｓｅＢのモデルを示す。双方のモデルとも、栽培設備内には、給気口（５０ｍｍ×５０ｍｍ）が８箇所、排気口（３４５ｍｍ×５０ｍｍ）が２箇所設けられている。なお、給気口（ファン）は、ｃａｓｅＡでは栽培棚の内部空間の上面に設けて下向きに給気する。より具体的には、給気口は内部空間の中央部分を挟んで上面の左右に複数（４個ずつ）均等に設けられた構成である。一方、ｃａｓｅＢでは内部空間の左右側面に設けて横向きに給気する。より具体的には、給気口は、左右側面に複数（４個ずつ）設けられるが、そのうちの３個が植物に近い下側に、残りの１個が上面（天井）に近い上側に設けられた構成である。なお、排気口は両モデルとも設備長辺側の両側面中央部に設ける。

数値解析においては、双方のモデルにおける気流分布と、（１）植物モデル中心、（２）葉の表面、（３）葉の裏面から拡散物質を発生させたと仮定した場合の濃度分布を解析し、両モデルでの空気環境の制御状況を比較検討した。尚、モデル上の栽培設備は点対称であるため、解析結果は１／４の区画のみを示す。

表１に各解析ｃａｓｅの概要を示す。解析ｃａｓｅは、上述の通り、給気方向及び拡散物質の発生位置を変化させた計６つのｃａｓｅとする。各ｃａｓｅにおいて給気風速及び給気風量は同じ値である。解析結果を拡散物質の発生位置毎に比較し、栽培設備モデル内を効率良く換気することが可能な空調方式の検討を行う。

（ＣＦＤ解析結果１： 風速分布）
図２（ａ）及び（ｂ）に本実施例の栽培設備の風速分布を示す。尚、ｃａｓｅＡの（１），（２），（３）と、ｃａｓｅＢの（１），（２），（３）は、それぞれ拡散物質発生位置がパラメータであり、風速分布自体はそのパラメータの影響を受けないので同様である。従って、図２（ａ）に示すようにｃａｓｅＡで１つ、図２（ｂ）に示すようにｃａｓｅＢで１つの風速分布が示されている。

ここで、ｃａｓｅＡでは給気風速により、植物モデルの間に１．６ｍ／ｓ程度の比較的風速の速い分布が形成されている。ｃａｓｅＡとｃａｓｅＢとを比較すると、ｃａｓｅＡにおいて、０．８ｍ／ｓ程度の比較的風速の速い分布が植物モデル周囲に形成されている。一方、ｃａｓｅＢでは給気風速が直接、植物モデルに衝突している。

（ＣＦＤ解析結果２： 拡散物質濃度分布）
図３に本実施例の栽培設備の拡散物質度分布を示す。図３の各グラフでは、濃度分布を拡散物質発生量とファンの風量により、完全拡散濃度で基準化して表示する。どの拡散物質発生位置においても、ｃａｓｅＢ（水平方向に給気）と比較してｃａｓｅＡ（鉛直方向に給気）の方が、植物周囲の濃度が低い。従って、栽培設備ダクト内において植物から発生する水蒸気等が栽培棚内に滞ることなく、比較的効率良く換気されるのはダクト型栽培設備の上面から鉛直下向きに給気するｃａｓｅＡの方式であると考えられる。

（リーフレタスの栽培実験の概要）
次の実施例では、本発明の栽培設備を試作・使用してリーフレタスの栽培実験を行った。図４に本実験に供した栽培棚の外観を示す。栽培設備内には栽培棚、養液タンク、育苗棚、光・温熱空気環境の制御・実測機器等が設置された。

ここで、栽培棚は、図４に示すように３段とし、１段に２種類の栽培施設を設け、合計６種類の栽培条件を設定した。人工光源として、ｃａｓｅ１（比較例）では蛍光灯（Ｈｆ３２Ｗ）×４本、ｃａｓｅ２（比較例）では直管型ＬＥＤ（２０Ｗ）×４本、ｃａｓｅ３（比較例）では白色ＬＥＤ（点光源が４８個）、ｃａｓｅ４（比較例）、ｃａｓｅ５（実施例）及びｃａｓｅ６（実施例）を用い、内部空間の上面に配置した。

また、ｃａｓｅ１〜ｃａｓｅ４では、内部空間の長辺側の側面や短辺側の側面を、反射材によって覆わずに開放した。一方、ｃａｓｅ５又はｃａｓｅ６では、それぞれ、ダクト内壁面（内部空間）の排気口を除く全ての側面を、全反射率９５％又は９９％を有した超高効率光反射材（本実施例では超高効率の光拡散型反射材）により覆う（図４）。栽培棚への光照射には明期と暗期とを設けたが、栽培棚には、常時、ポンプで培養液を循環させた。ここで、明期とは植物に光を照射する時間（人項光源の点灯時）であり、午前６時〜午後１０時（１６時間）とし、その他の８時間を暗期とした。養液は、定期的に、循環式ＵＶ殺菌灯を用いて殺菌処理を行った。養液の温度・ｐＨ・ＥＣ（電気伝導率）の測定にはポータブル電気伝導率・ｐＨ計を用いた。

光環境の制御にはＬＥＤ電源ユニットを、実測には分光放射照度計（測定角は２°）を用いる。各栽培条件の光強度は、光合成有効光量子束密度を指標とし、ｃａｓｅ１，２は成り行き（それぞれ１３０，１６０μｍｏｌ／（ｍ^２・ｓ）程度）、ｃａｓｅ３，４は上面から２００μｍｏｌ／（ｍ^２・ｓ）程度とする。又、ｃａｓｅ５，６はｃａｓｅ４における照明用電力消費量を１／２に調整し、上面から３００μｍｏｌ／（ｍ^２・ｓ）程度とする。赤青ＬＥＤ（点光源）の赤色光と青色光の比率（Ｒ／Ｂ比）は６：１とする。

温熱空気環境の制御にはパッケージエアコン、ＣＯ_２ボンベ、循環式紫外線空気清浄機、送風機を、実測にはデータロガー、Ｔ型熱電対、温湿度発信機、ＣＯ_２濃度計を用いる。各栽培棚の温度は概ね２２〜２５℃に制御された。又、明期ではＣＯ_２濃度は約１６００〜２０００ｐｐｍに保たれた。電力消費量の実測には電力量測定センサを用いた。

（栽培実験結果）
以上説明した実験設備及び実験条件により、栽培実験を行い、後述する実験結果を得た。

（電力消費量の比較）
表２に各設備機器の電力消費量を、図５に各栽培条件における１日当たりの電力消費量を示す。ｃａｓｅ５，６の照明用電力消費量はそれぞれ４６Ｗ（赤色ＬＥＤで２３Ｗ、青色ＬＥＤ）であり、ｃａｓｅ４に比較して約１／２に設定されている。ｃａｓｅ５，６の電力消費量は、１日当たりの電力消費量が最も大きな条件であるｃａｓｅ１（蛍光灯）と比べると、約４３％（約１．２ｋＷｈ／日）も小さい。又、ｃａｓｅ５，６ではダクト内の換気用に設置されているファンの電力消費量が全体の約２０％を占めている。

（収穫重量の比較）
表３に各栽培条件の収穫重量（より具体的には、最大重量、最小重量、平均重量、総重量、変動係数）を示す。図６（ａ）は、表３で示した各栽培条件の平均重量、最大重量及び最小重量をグラフ化し、図６（ｂ）は各栽培条件の総重量及び変動係数をグラフ化したものである。表３の収穫結果は、各栽培条件ともリーフレタス８株（全定植時は各条件３２株）を収穫した場合であり、平均重量と総重量は、各栽培条件で収穫した株の中で収穫重量が最も大きい株と小さい株の２株を除いて算出した。

ここで、変動係数については、線光源を用いたｃａｓｅ１，２が最も小さいが、点光源を用いたｃａｓｅ５，６でもｃａｓｅ３，４に比べて極端に低減していることに留意されたい。これは、ｃａｓｅ５，６には超高効率光反射材が設けられていたため、栽培パネル上の光生育環境が、反射材のない条件（ｃａｓｅ３，４）と比較して、より均一化され、植物の定植位置によるばらつきが少なくなったためであると考えられる。

（単位電力消費量当たりの収穫重量による比較）
表４に各栽培条件での電力消費量及び収穫重量（総重量）を、図７に各栽培条件の単位電力消費量当たりの収穫重量（左側棒グラフ）及び単位照明用電力消費量当たりの収穫重量（右側棒グラフ）を示す。ここで、ｃａｓｅ５，６では、ファンを用いた為、ファンでの消費電力を除いて導出された右側の棒グラフが左側の棒グラフに比べて高い値となった。

また、図７の結果から、ｃａｓｅ５，６の単位照明用電力消費量当たりの収穫重量は、ｃａｓｅ１と比較すると約５倍多いことが分かった。また、ｃａｓｅ２，３，４と比較してみると、ｃａｓｅ５，６は、いずれも約２〜２．５倍多いことが分かった。

以上説明してきたように、超高効率光反射材を用いた本実施例の栽培設備を用いることにより、従来設備と比較して約半分の照明用電力消費量で同等以上の収穫重量を得ることが可能であると考えられる。

本発明は、植物工場での生産コストを飛躍的に削減できる大変有望な技術であり、産業上の利用価値及び利用可能性が極めて高い。

Claims (6)

1. 直方体状を成し、該直方体の下面に植物の定植が可能な内部空間と、
   前記内部空間に空気を供給する給気口と、
   前記内部空間から空気を排気する排気口と、
   前記内部空間を照射可能な複数のＬＥＤ光源と、
   を有した栽培棚を備え、かつ、
   前記内部空間の全面は、全反射率９５％以上の超高効率光反射材で覆われ、
   前記給気口は前記内部空間の上面又は短辺側面の少なくとも一方に設けられるとともに、
   前記排気口は前記内部空間の長辺側面の中央部分に設けられることを特徴とする完全人工光型植物栽培設備。
2. 前記給気口は前記内部空間の前記中央部分を挟んで前記上面の左右に複数設けられることを特徴とする請求項１に記載の完全人工光型植物栽培設備。
3. 前記ＬＥＤ光源は複数の点光源であり、前記内部空間の全面の少なくとも一面に不均一に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の完全人工光型植物栽培設備。
4. 前記光反射材が光拡散型反射材であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の完全人工光型植物栽培設備。
5. 前記光反射材の全反射率が９９％以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の完全人工光型植物栽培設備。
6. 前記植物の生育状況及び生育条件に応じて、前記ＬＥＤ光源の一部又は全部を消灯可能な、又は、前記ＬＥＤ光源の一部又は全部で発する光量を変更可能な光環境制御装置をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の完全人工光型植物栽培設備。