JP7447827B2

JP7447827B2 - 植物栽培施設への二酸化炭素の供給方法及び装置

Info

Publication number: JP7447827B2
Application number: JP2021003006A
Authority: JP
Inventors: 義裕山田
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2021-01-12
Filing date: 2021-01-12
Publication date: 2024-03-12
Anticipated expiration: 2041-01-12
Also published as: JP2022108132A

Description

本発明は、植物栽培施設への二酸化炭素の供給方法及び装置に係り、特に、高価でメンテナンスに手間がかかる二酸化炭素濃度のセンサの数を少なく抑えつつ、比較的安価な制御手段を多数用いて二酸化炭素の濃度分布を均一にすることが可能な、植物栽培施設への二酸化炭素の供給方法及び装置に関する。

植物の光合成速度は周囲の二酸化炭素濃度に影響され、１０００ｐｐｍくらいまでは濃度が高いほど太陽光や人工光による光合成が促進される。施設での栽培では光合成による二酸化炭素濃度低下を補うために、あるいは、より積極的に二酸化炭素濃度を高めて光合成を促進するために、二酸化炭素の供給が行われる。

植物の光合成速度は二酸化炭素濃度が上昇するにつれて頭打ちとなるため、所定濃度を下回ると二酸化炭素の供給を開始し、所定濃度を上回ると供給を停止する濃度制御が用いられている。区画内に一つの二酸化炭素濃度センサ（以下、単に濃度センサとも称する）を設置して制御に用いるのが一般的であり、例えば特許文献１では、多数の区画に分割して、それぞれの区画で個別に二酸化炭素供給速度を制御することで、植物の種類や区画による生育の違いに対応する方法が提案されている。

また、換気のために窓を開けると供給した二酸化炭素が施設外へ流出する。そのため、特許文献２のように、換気用の窓が開いている場合には二酸化炭素の供給を抑制する方法も提案されている。

特開２０１９－１１８３４２号公報特開２０１８－１３４１０４号公報

しかしながら、栽培室内の二酸化炭素濃度は必ずしも均一ではない。生育が良い植物は、より多くの二酸化炭素を吸収するため、周囲の二酸化炭素濃度が低下するのに対し、生育が悪い植物では、その逆である。また、栽培室内の気流によっても二酸化炭素濃度のばらつきを生じる。これに対して、濃度センサが一つでは区画内のばらつきには対応できない。

二酸化炭素濃度がばらつくと、濃度が低い箇所では二酸化炭素不足で光合成が抑制され、濃度が高い箇所では光合成速度が頭打ちになるため、区画全体の収量が低下する。更に、二酸化炭素濃度が高いと植物の群落から二酸化炭素が流出しやすく、特に換気のために窓を開けた状態では、上昇気流が発生する箇所で多くの二酸化炭素が施設外へ流出する。

従来法でも極めて多数の濃度センサを設置すれば、二酸化炭素濃度のばらつきに対応できるが、濃度センサの価格が高いことと、濃度センサ間の誤差補正のための校正を含むメンテナンスに多大な手間と費用を要するという問題があった。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、高価でメンテナンスに手間がかかる二酸化炭素濃度センサの数を少なく抑えつつ、比較的安価な制御手段を多数用いて二酸化炭素の濃度分布を均一にする制御を実現可能とすることを課題とする。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、植物栽培施設への二酸化炭素の供給に際して、前記植物栽培施設内の二酸化炭素の濃度を制御単位より少ない、固定された複数のセンサを用いて検出し、該固定された複数のセンサにより検出した複数箇所の二酸化炭素の濃度を用いて、前記植物栽培施設内の二酸化炭素の濃度分布を推定し、該推定した二酸化炭素の濃度分布に応じて、センサ数より多い制御単位で前記二酸化炭素の濃度分布を制御することを特徴とする植物栽培施設への二酸化炭素の供給方法により、前記課題を解決するものである。

ここで、前記制御単位は、推定した二酸化炭素の濃度が平均より低い箇所では二酸化炭素の供給を増やし、推定した二酸化炭素の濃度が平均より高い箇所では二酸化炭素の供給を減らす制御を行うことができる。

また、前記二酸化炭素の濃度分布の推定を、前記植物栽培施設内に配設した前記複数のセンサで検出した二酸化炭素の濃度を、空間統計学の手法を用いて内挿又は外挿することにより行うことできる。

本発明は、又、植物栽培施設への二酸化炭素の供給に際して、前記植物栽培施設内の温度を制御単位より少ない、固定された複数のセンサを用いて検出し、該固定された複数のセンサにより検出した複数箇所の温度を用いて、前記植物栽培施設内の温度分布を推定し、該推定した温度分布に応じて、センサ数より多い制御単位で前記二酸化炭素の供給を制御することを特徴とする植物栽培施設への二酸化炭素の供給方法により、同様に前記課題を解決するものである。

ここで、前記温度分布の推定を、前記植物栽培施設内に配設した前記複数のセンサで検出した温度を、空間統計学の手法を用いて内挿又は外挿することにより行うことができる。
また、前記植物栽培施設内の温度分布に応じて、周囲に比べて温度が高い箇所の前記二酸化炭素の供給速度を、周囲の供給速度より小さくすることができる。

本発明は、又、植物栽培施設への二酸化炭素の供給装置において、前記植物栽培施設内の二酸化炭素の濃度を検出する、制御単位より少ない、固定された複数のセンサと、該固定された複数のセンサにより検出した複数箇所の二酸化炭素の濃度を用いて、前記植物栽培施設内の二酸化炭素の濃度分布を推定する手段と、該推定した二酸化炭素の濃度分布に応じて、センサ数より多い制御単位で前記二酸化炭素の濃度分布を制御する手段と、を備えたことを特徴とする植物栽培施設への二酸化炭素の供給装置により、同様に前記課題を解決するものである。
本発明は、又、植物栽培施設への二酸化炭素の供給装置において、前記植物栽培施設内の温度を検出する、制御単位より少ない、固定された複数のセンサと、該固定された複数のセンサにより検出した複数箇所の温度を用いて、前記植物栽培施設内の温度分布を推定する手段と、該推定した温度分布に応じて、センサ数より多い制御単位で前記二酸化炭素の供給を制御する手段と、を備えたことを特徴とする植物栽培施設への二酸化炭素の供給装置により、同様に前記課題を解決するものである。

本発明によれば、高価でメンテナンスに手間がかかる二酸化炭素濃度センサの数を少なく抑えつつ、比較的安価な制御手段を多数備えて二酸化炭素の濃度分布を均一に制御することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る栽培室の略示平面図同じく略示立面図第１実施形態の処理手順を示す流れ図二酸化炭素の濃度分布の例を示す平面図栽培室内に発生する上昇気流の例を示す略示立面図参考形態に係る栽培室の略示平面図

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に記載した内容により限定されるものではない。また、以下に記載した実施形態における構成要件には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。更に、以下に記載した実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせてもよいし、適宜選択して用いてもよい。

本発明の第１実施形態は、図１（略示平面図）及び図２（略示立面図）に示す如く、栽培植物１４が栽培される栽培ベンチ１２を備えた栽培室１０への二酸化炭素供給チューブ１６による二酸化炭素の供給装置において、前記栽培室１０内の二酸化炭素の濃度を測定する、複数（実施形態では５個）の二酸化炭素濃度センサ２０と、該二酸化炭素濃度センサ２０の出力に基いて栽培室１０内の二酸化炭素の濃度分布を推定する手段であるコンピュータ３０と、該コンピュータ３０により推定された二酸化炭素の濃度が平均より低い箇所では二酸化炭素の供給を増やし、推定された二酸化炭素の濃度が平均より高い箇所では二酸化炭素の供給を減らすための、各二酸化炭素供給チューブ１６の端部（入側又は出側）に配設された、二酸化炭素供給チューブ１６ごとに制御可能な多数（実施形態では８個）の電磁弁４０とを備えている。図において、１８は換気用の天窓である。

前記二酸化炭素供給チューブ１６の側壁には、二酸化炭素放出用の吹出口が多数形成されており、二酸化炭素を均一に供給可能とされている。

前記二酸化炭素濃度センサ２０の数は電磁弁４０の数より少なくされており、電磁弁４０より少ない数の二酸化炭素濃度センサ２０で各電磁弁４０を個別制御するところに特徴がある。

以下、図３を参照して作用を説明する。

まずステップ１００で、二酸化炭素供給チューブ１６の電磁弁４０の数に比べて少数（図では５個）の二酸化炭素濃度センサ２０でその部分の二酸化炭素の濃度を測定する。

次いでステップ１１０で、二酸化炭素濃度の空間分布を推定する。推定方法としては、例えば特開２００８－１０７９６３号公報等に記載されたクリギング法などの空間統計学手法を用いて、二酸化炭素濃度センサ２０間の濃度の空間分布を内挿及び／又は外挿することができる。

濃度分布の例を図４に示す。中央付近の栽培植物１４が多い所では、二酸化炭素の濃度が低く、周辺付近の栽培植物１４が少ない所では、逆に二酸化炭素の濃度が高くなっている。

そこで、得られた濃度分布を基に、ステップ１２０で低濃度の箇所と判定されたときにはステップ１３０に進み、対応箇所の電磁弁４０を開いて二酸化炭素の供給速度を増やす。一方、ステップ１４０で高濃度の箇所と判定されたときにはステップ１５０に進み、対応箇所の電磁弁４０を閉じて二酸化炭素の供給速度を減らす。

このようにして、施設内の二酸化炭素の濃度分布を把握することで、局所的な二酸化炭素供給速度の調節が可能になる。

本実施形態においては、空間統計学手法で濃度センサ間の濃度を内挿及び／又は外挿することにより二酸化炭素の空間分布を推定していたが、推定方法はこれに限定されず、Natural Neighbor内挿法、スプライン法、逆距離加重法などを用いることができる。推定対象も三次元の空間分布に限定されず、二次元の平面分布であってもよい。

なお、従来法でも極めて多数の濃度センサを設置すれば同様の効果が得られるが、濃度センサの価格が高く、濃度センサ間の誤差補正に多大な手間と費用を要する。

本実施形態のように、二酸化炭素は二酸化炭素供給チューブ１６を用いて栽培植物１４に供給するとロスを少なくでき、二酸化炭素供給チューブ１６の末端（入口又は出口）に個別制御可能な電磁弁４０を設置すると、列ごとに二酸化炭素の供給速度を変化させることができるため、供給を効率化できる。

本実施形態においては、制御手段として電磁弁を用いているので、制御手段が安価である。また、本実施形態のように各二酸化炭素供給チューブの末端でなく、数本の二酸化炭素供給チューブを一つの電磁弁で制御してもよい。なお、制御手段も電磁弁に限定されない。

また、温度が周囲より高い箇所は、図５に例示する如く、上昇気流の発生個所となる。即ち、栽培室１０内で温められて高温となった空気は、栽培室１０内を上昇し、天窓１８等の換気窓から栽培室１０外へ流出する。この上昇気流に乗って二酸化炭素も流出する。この時、天窓１８からの外気流入により栽培室１０下部は低温になる。そこで、例えば複数の熱電対やサーモカメラを用いて、類似の方法で温度分布を得て、周囲に比べて温度が高い箇所の二酸化炭素の供給速度を小さくすることで、上昇気流等による天窓１８から施設（栽培室１０）外への二酸化炭素の流出を抑制することができる。なお、図５に示した気流の上下、位置は一例であり、実際には、もっと大きな循環流になることも、小さな循環流になることもある。

第１実施形態では、二酸化炭素の濃度を二酸化炭素濃度センサ２０を用いて検出していたが、図６に示す参考形態のように、レーザ発信器５２とレーザ受信器５４を備えたレーザ吸収式分析計５０を格子状に配置して、コンピュータトモグラフィ（ＣＴ）計算によって推定することもできる。図において、５６はレーザパスである。

この参考形態のようにレーザ吸収式分析計５０を用いた場合には、例えば特開昭６２－１７５６４８号公報、特開平７－４３２９６号公報に記載されているように、複数の波長を用いたり、あるいは、国際公開第２０１７／１１９２８３号に記載されているように、波長を変えることによって、二酸化炭素の濃度だけでなく温度を測定することも可能である。

１０…栽培室
１２…栽培ベンチ
１４…栽培植物
１６…二酸化炭素供給チューブ
１８…天窓（換気窓）
２０…二酸化炭素濃度センサ
３０…コンピュータ
４０…電磁弁
５０…レーザ吸収式分析計
５２…レーザ発信器
５４…レーザ受信器
５６…レーザパス

Claims

植物栽培施設への二酸化炭素の供給に際して、
前記植物栽培施設内の二酸化炭素の濃度を制御単位より少ない、固定された複数のセンサを用いて検出し、
該固定された複数のセンサにより検出した複数箇所の二酸化炭素の濃度を用いて、前記植物栽培施設内の二酸化炭素の濃度分布を推定し、
該推定した二酸化炭素の濃度分布に応じて、センサ数より多い制御単位で前記二酸化炭素の濃度分布を制御することを特徴とする植物栽培施設への二酸化炭素の供給方法。
前記制御単位が、推定した二酸化炭素の濃度が平均より低い箇所では二酸化炭素の供給を増やし、推定した二酸化炭素の濃度が平均より高い箇所では二酸化炭素の供給を減らす制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の植物栽培施設への二酸化炭素の供給方法。
前記二酸化炭素の濃度分布の推定を、前記植物栽培施設内に配設した前記複数のセンサで検出した二酸化炭素の濃度を、空間統計学の手法を用いて内挿又は外挿することにより行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の植物栽培施設への二酸化炭素の供給方法。
植物栽培施設への二酸化炭素の供給に際して、
前記植物栽培施設内の温度を制御単位より少ない、固定された複数のセンサを用いて検出し、
該固定された複数のセンサにより検出した複数箇所の温度を用いて、前記植物栽培施設内の温度分布を推定し、
該推定した温度分布に応じて、センサ数より多い制御単位で前記二酸化炭素の供給を制御することを特徴とする植物栽培施設への二酸化炭素の供給方法。
前記温度分布の推定を、前記植物栽培施設内に配設した前記複数のセンサで検出した温度を、空間統計学の手法を用いて内挿又は外挿することにより行うことを特徴とする請求項４に記載の植物栽培施設への二酸化炭素の供給方法。
前記植物栽培施設内の温度分布に応じて、周囲に比べて温度が高い箇所の前記二酸化炭素の供給速度を、周囲の供給速度より小さくすることを特徴とする請求項４又は５に記載の植物栽培施設への二酸化炭素の供給方法。
植物栽培施設への二酸化炭素の供給装置において、
前記植物栽培施設内の二酸化炭素の濃度を検出する、制御単位より少ない、固定された複数のセンサと、
該固定された複数のセンサにより検出した複数箇所の二酸化炭素の濃度を用いて、前記植物栽培施設内の二酸化炭素の濃度分布を推定する手段と、
該推定した二酸化炭素の濃度分布に応じて、センサ数より多い制御単位で前記二酸化炭素の濃度分布を制御する手段と、
を備えたことを特徴とする植物栽培施設への二酸化炭素の供給装置。
前記制御単位が、推定した二酸化炭素の濃度が平均より低い箇所では二酸化炭素の供給を増やし、推定した二酸化炭素の濃度が平均より高い箇所では二酸化炭素の供給を減らす制御を行う手段を有することを特徴とする請求項７に記載の植物栽培施設への二酸化炭素の供給装置。
前記二酸化炭素の濃度分布を推定する手段が、
前記植物栽培施設内に配設した前記複数のセンサと、
該複数のセンサで検出した二酸化炭素の濃度を、空間統計学の手法を用いて内挿又は外挿する手段と、
を有することを特徴とする請求項７又は８に記載の植物栽培施設への二酸化炭素の供給装置。
植物栽培施設への二酸化炭素の供給装置において、
前記植物栽培施設内の温度を検出する、制御単位より少ない、固定された複数のセンサと、
該固定された複数のセンサにより検出した複数箇所の温度を用いて、前記植物栽培施設内の温度分布を推定する手段と、
該推定した温度分布に応じて、センサ数より多い制御単位で前記二酸化炭素の供給を制御する手段と、
を備えたことを特徴とする植物栽培施設への二酸化炭素の供給装置。
前記温度分布を推定する手段が、
前記植物栽培施設内に配設した前記複数のセンサと、
該複数のセンサで検出した温度を、空間統計学の手法を用いて内挿又は外挿する手段と、
を有することを特徴とする請求項１０に記載の植物栽培施設への二酸化炭素の供給装置。
前記植物栽培施設内の温度分布に応じて、
周囲に比べて温度が高い箇所の前記二酸化炭素の供給速度を、周囲の供給速度より小さくすることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の植物栽培施設への二酸化炭素の供給装置。