JPS61268111A - 植物工場の照明制御方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は植物を育成するに轟シ、植物に与える光を主と
して人工照明によって得ている植物育成装置または実際
的な植物工場における照明装置および照明方法に関する
ものである。

〔発明の背景〕

鈑 植物の栽培技術は、花香類や野菜類において育成環境を
人工的に制御する方向へと発展してきておυ、この種の
園芸施設は温度、湿度、炭酸ガス尋の制御を可能にして
きている。従来のこれらの園芸施設は、植物の育成に欠
くことのできない光エネルギーに関しては太陽光を利用
するものが殆んどで６Ｄ、人工照明に対する依存度は光
の刺激作用に対する利用が中心であった。しかしながら
、植物の端境期の除去を目的とした周年生産システムが
要望されてくるに従い、人工照明に対しても単なる刺激
作用のみならず育成エネルギーとしての要求が生れ、究
極の形として外光を完全に連間した全天候制御形の植物
工場が稼動しつ＼ある。

このような人工照明を利用した全天候制御形植物工場に
おける問題点は、例えば電気学会誌１０５巻３号（昭和
６０年３月）「植物工場の一視点」等に指摘されている
ように、照明用電力を主体とする電力費用の生産コスト
に占める比率が極めて大きい所にある。

また１人工照明によって光合成用の光エネルギーを供給
するためには光出力として十分大きな値が得られる光源
が適しているが、そのような光源から与えられる光エネ
ルギーを全体に均斉度よく分散する必要がある。これは
、光エネルギーの照射に斑があると、生産される植物、
例えばサラダ菜やレタスなどの品質、すなわち大きさ、
形、色などに斑ができ、品質が安定しないという問題を
生ずるからである。全天候制御形植物工場の主たる目的
が商業的な植物生産にあることを考慮すると。

この商品の品質における斑の発生は重要な問題である。

人工照明による光エネルギーの供給におけるもう一つの
問題は、光源の分光エネルギー分布にある。

太陽光によって育くまれる植物の育成を、太陽光とは異
なる分光エネルギー分布を有する光源を用いて行なうに
幽っては、個々の波長の光が受けもつ働きを無視できな
い。太陽光の場合は可視光領域はソ全体に渡って平均し
た分光エネルギー分布を有するが、発光効率の高い光源
の殆んどが輝線スペクトルを主体にした分光エネルギー
分布を有しており、照射エネルギー量のみでは判断でき
ない問題を備えている。なお、光の波長により植物が受
ける影響は、例えば高辻正基著「植物工場の基礎知識と
実際」（昭和５７年１月６日初版）の「第４８頁〜第４
９頁」に記載されているように、その主たる作用が判明
しつ＼ある状況にある。

奴 一方、植物の栽培技術における人工環境作りに関しては
、特開昭５７−８８５２０号公報、判開昭５７−１７４
０８２号公報１％開昭５８−２０１２８号公報等に提案
されているが、光エネルギーを人工照明のみで得ようと
するものではない。

〔発明の目的〕

植物を育成するに当り必要となる光を主とじて人工照明
によって供給する植物育成装置や実際的な植物工場罠お
いては、前述したように経済的視点からは照明用電力料
が、また環境的視点からは照明による照射エネルギーの
均斉度や分光エネルギー分布に問題がある。このような
状況に鑑み、本発明においては前記の環境問題を改善し
つ＼経済的な照明を実施する装置および方法を提供する
ことを目的とする。

〔発明の概要〕

植物の生長過程は、発芽期、育苗期、生長期等に分ける
ことができ、それぞれの過程によって生長の度合が異な
る。当然ではあるが、光合成速度も異なυ光合成におけ
る光飽和点にも変化が生ずる。一方、光エネルギーを供
給する光源に関しては光源自体が有する点灯時間に関連
する光束劣化特性が存在する。そこで、本発明において
は光源の基礎光束を寿命末期の光束とした照明設計の手
法に基づいて設置された照明装置を効率良く稼動させる
ため、点滅および調光手段を設け、植物の生長過程に合
致した光飽和点を基に設定される所要照度に相当する照
射エネルギーが得られるように照明装置に対する入力電
力を制御することにした。

なお、調光手段を採用すれば、照射エネルギー量を制御
した場合でも照射エネルギーの均斉度を悪化させること
なく制御できる利点がある。

一方、光の波長と植物の生長における役割の関係は、６
００ｎｍ前後から８００ｎｍ＠後の波長であるいわゆる
赤色光は主として炭水化物の生成に効果があシ、３２０
ｎｍ前後から５００　ｎｍ前後までの波長であるいわゆ
る青色光は主として蛋白質の生成に効果があると推定さ
れている。特に青色光に類する範囲の光で短波長側の紫
色から近紫外線に当る光は、徒長を押え、葉を厚くし、
紫色色素アントシアニンの生成を促進する作用があると
見られており、植物の形態形成の中で形状や植物体の色
調などに影響を与えると推定される。一方、赤色光の作
用は主として栄養生長および生殖生長における光同期性
に影響が強いと言われており、植物が大きく成育するた
めに効果がある。本発明はこのような光の波長による効
果、育成する植物に要求される目的、すなわち葉菜なの
か、開花結実を求めるのかなどを考慮し、生長過程に従
って必要な波長の光を供給し、それぞれに必要な光を得
るに効率の良い光源を選択的に使用することにしたので
、植物の播種から収穫に到る期間全体を通し、効率よく
光エネルギーを供給することができる。

〔発明の実施例〕

第１図・第２図は本発明による植物工場の照明截 装置の実施例を示すものである。Ａは植物の栽培床で１
例えば発泡スチロールで形成されたトレー族 水耕栽培を採用している。なお、植物工場として数 合わせて養分を溶解させ、空気を混入させて循環栽 させている。Ｄは麓培床Ａの水耕液面上に浮遊させるか
、液面直上に支持した定植パネルで、適当な間隔をおい
て穴が設けである。Ｕは定植パネルＤの穴に挿入支持さ
れたウレタン製の培地で、ミツバ、サラダナ、レタスな
どを直播きあるいは定植などによシ植付けである。Ｂは
そのような葉菜を示す。このような状態にある栽培床Ａ
における葉菜Ｂに十分な光エネルギーを供給するための
照明は１本実施例においては次のような構成からなって
いる。すなわち、Ｆは１１０Ｗ螢光ランプで。

器具としては１灯用笠付器具で、１１０　Ｗ螢光ランプ
Ｆとしては昇光色を採用している。この１１０Ｗ螢光ラ
ンプＦは器具８台を連結したラインを６ラインＦｌｌ、
ＦＩｔ＋　ｐ＋ｓ、ＦｌいＦＩｆｉ、Ｆ１６設置し、さ
らにこれらの６ラインの両端に、これらのラインと直角
に配置した直交ラインＬｌ？％Ｌ＋ａを設けてい麩 る。このｌ培床Ａは長さが約２０ｍ、巾が約１０ｍで、
約２００ｆｆ＋’の面精があるが、各ラインの間隔は２
ｍ弱で配置しである。

１１０Ｗ螢光ランプＦの取付高さは定植パネル９面上１
．７ｍで、全数点灯の場合は平均照度で約１．２ＫＬＸ
が得られた。螢光灯器具の場合は比較的均斉度が良好で
、最大照度が平均値の約１．１倍、最少収 照度が約０．８倍となる。なお、最少照度は栽培未収 Ａの周辺領域で生ずるため、栽培床Ａの周縁に反射板と
して作用する反射壁を設けると最少照度の改善が計れる
。

Ｎは９４０Ｗ高圧ナトリウムランプ、Ｍは６４０Ｗ高圧
ナトリウムランプを示し、反射笠としては特ム照形反射
笠を使用している。これらの高圧ナトリウムランプは発
光効率が高く、電力量の節約には最適の光源である。こ
れら高圧ナトリウムランプは、９４０Ｗ高圧ナトリウム
ランプＮを主体とし９乃至１０灯を等間隔配置した長手
方向に添ったラインを４ラインＬｔ１．Ｌ２．、Ｌ１２
、Ｌ２４設け、これらの各ラインの間に６４０Ｗ高圧ナ
トリウムランプＭを主体として７灯を等間隔配置したラ
インを３ライン設けている。なお、これら６４０Ｗ高圧
ナトリウムランプＭを主体としたラインは、−灯間隔で
点滅が可能なように、ラインＬｓ＋とラインＬ４１＋ラ
インＬ１１２とライン上４２．ラインＬ３３とラインＬ
４Ｂを組合せて構成しである。なお、これら高圧ナトリ
ウムランプＮ、Ｍの設置高さは螢光ランプＦと同等であ
ることは言うまでもない。全体として、叙 栽培床Ａの周辺に光源が密に配置されているが、似 これはＩ培床Ａの周囲から加算される光が無いた収 めである。本実施においては約２００ｒｒｌ’の廠培床
Ａの照明用として、ｌｌ０Ｗ螢光ランプＦを５６灯、６
４０Ｗ高圧ナトリウムラングＭを２１灯、９４０Ｗ高圧
ナトリウムランプＮを３８灯使用し、後で詳述するが初
期平均照度で約２８ＫＬＸを得ている。

これら光源の点滅は次のようＫして行う。すなわち、ｌ
ｌ０Ｗ螢光ランプＦの各ラインＦｌｌ〜ｐｅａは第１ラ
インＬ、に接続され、第１スイッチＳ、を介して商用電
源に接続されている。また、高圧ナトリウムランプ群は
ラインＬｔ１％Ｌｅｔ　ｂ　Ｌ２３％Ｌ２４が第２ライ
ンＬｔＫ接続され、第２スイッチＳ、を備えている。ま
たラインＬ４１　＋　Ｌ１２、Ｌ４．は第４ラインＬ４
に接続され第４スイツチＳ４を備えている。一方、ライ
ンＬ、いＬｓｔ　Ｉ　Ｌｓｓは第８ラインＬ、に接続さ
れ。

これに第４スイツチＳ４を介して第４ラインＬ、が接続
され、これら全体に第３スイッチＳ、を設けて商用電源
と接続している。さらＫ、これらの第１乃至第４スイツ
チ５１〜Ｓ４は、それぞれが制御装置Ｃで開閉制御でき
るよう構成している。Ｋはこの制御装置Ｃに制御用のデ
ータを入力するためのデータ入力装置である。Ｐ２、Ｐ
２はそれぞれ第１％第２受光センサで、制御装置Ｃに制
御用データとして光エネルギーのデータを供給する。第
２図におけるＨは、この第１、第２受光センサＰ、％Ｐ
２から光源までの高さを示しておシ、葉菜Ｂの上端付近
に設置され、葉菜Ｂの生長と共ＶＣ移動させる。なお、
高さＨが変化すると照度の均斉度が変化するが、本実施
例の場合は葉菜Ｂの隅さが収俊時において高々０．２ｍ
程度とすると全体の高さ１．７ｍに比較叙 して小さいので無視することにした。栽培植物の背丸が
高くなシ均斉度等が無視できない場合は光源の位置の移
動を考慮し、均斉度の悪化を防止する心壁がある。高さ
調節は、例えば第２図における支持バーＫを上下させる
。水平横方向はそれぞれのラインを、支持バーＫに添っ
て移動させ、水平縦方向は照明器具自体をラインに添っ
て移動させるとよい。

第３図は第１図に示す照明器具を全て点灯した場合の照
度分布を示す。図中に示す数字は照度を示し、曲線は等
照度曲線である。なお、このときの定植パネルＤの色は
白色である。白色は反射率が高く、全体の照度向上に大
きな役割を果す。ちなみに、定植パネルの色のみを変え
て実測した結果によれば、白色の場合平均照度で１９．
ＩＫＬＸ得られる照度が、黒色では１５．８ＫＬＸに減
少することがわかり、約２０％の差が出ることがわかっ
た。

叙 この場合、植物栽培室の天井、壁面は特に反射率を考慮
してはいないが、これらを考慮するとさらに照度レベル
の向上が計れることは勿論である。

さて、第３図の場合は最大値で８ｉＫＬＸ、最小値けな
ので、実質的には２０ＫＬＸが栽培床Ａの周辺に当り、
殆んど全面績が２０ＫＬＸ以上とみられる。

このような照度分布を考慮して第１、第２の受光センサ
Ｐ１、Ｐ２は実質的な最小照度である２０ＫＬＸより若
干内側、すなわち若干高照度側に設置した。

このよって、受光センサをＸ培床Ａの内側に設ける意味
は、後述するよって植物が生長するにしたがって水平面
照度の低下が見られるが１通常は最低照度が現われる隅
角部では、必ずしも平均的な影響が現われ難いと見られ
るからでらる。

第４図は第１スイツチＳ１と第２スイッチＳ、を閉じ、
第３スイッチＳ、全開放した場合の照度分布図である。

この昼光色螢光ランプＦ５６灯、９４０Ｗ高圧す）　Ｉ
ＪウムランプＮ８０灯、６４０Ｗ高圧ナトリウムランプ
８灯を点灯し、平均照度１９ＫＬＸを得ている。なお、
最大照度２２ＫＬＸ％最小照度１２ＫＬＸであるが、実
質的な最小照度は１５ＫＬＸである。図示してはないが
、第３スイツチＳ３＋第４スイツチＳ４のみを閉じた場
合は、平均照度して９ＫＬＸが得られる。また、第４ス
イツチＳ４を開放した場合は約６ＫＬＸである。このよ
うに、第１図のような回路構成によれば、平均照度とし
てみれば、２８ＫＬＸ、　２４ＫＬＸ、　１９ＫＬＸが
得られ、均斉度としては略３：２程度に納まっている。

次にこのような繋培床Ａにおける照度値および照度制御
の必要性について説明する。一般に、植物における生長
は炭酸同化作用（光合成）によって生成される炭水化物
の量によって計測されるが。

単位時間当シの光合成量は主として温度、炭酸ガス、光
の値によって大きく影響されることが知られている。そ
こで、温度と炭酸ガス濃度を一定とすれば、光合成量は
光の強さ、すなわち照度の大きさに影響される。その関
係は一般に第６図に示すような曲線もの関係にあること
が知られ、光合成量が飽和する照度を飽和照度Ｅ。と呼
ぶ。　なお、Ｔは温度、Ｒは炭酸ガス濃度、Ｑｏは飽和
照度ＥＯに対応する飽和光合成量を示す。なお、この飽
和照度Ｅ。、飽和光合成量Ｑ。は、対象とする植物によ
って異なり、また増加する傾きも植物によって異なる。

一般に葉菜類は果菜類に比較して飽和照度が低い傾向が
あシ、例えばレタスなどは２５ＫＬＸ。

ミツバは２０ＫＬＸなどであるのに対し、トマトなどは
７０ＫＬＸなとの値となっている。こ＼で注意すべきは
、第６図の曲線りの形であり、飽和照度Ｅ０の半分以下
では光合成量Ｑは照度Ｅにはソ比例し、照度Ｅが大きく
なるに従って次第に増加率が減少する点にある。すなわ
ち、飽和照度Ｅ０の半分の照度で照射時間を２倍にすれ
ば、光合成量は飽和照度Ｅ０での単位時間合成量より大
きくなり、対照度当りの光合成量は大きくなる。一般に
、照度すなわち光源が発する光蓋は入力電力にはソ比例
する故、照明用電力量に関する限り、飽和照度よシ低い
照度で長時間照射した方が光合成に関しては効率が良い
。

こ＼で、光エネルギーと照度の関係について説明する。

照度（ＬＸ）という単位は光エネルギーを人間の目の視
感度というフィルターを通して測定した光束値１ｍを基
礎とした値であり、この視感度曲線は第５図の曲線Ｙ、
に示すように青および赤色光での感度が低いことが特徴
である。太陽光のようにはソ黒体放射で近似される光は
全体の波長に渡ってはソ等しい値のエネルギーが得られ
るが。

放電灯のような光源の場合は波長に特徴があシ、青色や
赤色に相当する波長に大きなエネルギー出力を有するも
のも少なくない。このような不均質な光を照度という単
位で測定し、光合成量を論することに若干の無理はある
が１本明細書では光エネルギー量を照度で測定し、光エ
ネルギー量と相対的に等価な量として扱うとと＼する。

なお、一般に知られた葉緑素の光吸収曲線は、第５図の
曲線Ｙ２に示すような形をしておシ、視感度曲Ｉ！ｉ！
ＹＩとは対称的な特性を示している。この事実から推定
すれば、青色や赤色光が多い光源を用いた場合は、測定
照度は小さくても光合成用の光エネルギーは測定値から
推測する以上に大きい可能性を有すると言える。

第７図・第８図はそれぞれ第１図に示した実施例に使用
した光源の分光エネルギー分布を示すもので、第７図は
昼光色螢光ランプ、第８図は高圧す）　ＩＪウムランプ
の特性を示している。昼光色螢光ランプは波長が４００
〜５００ｎｍの青色光を多く含む光源であり、発光効率
も約７０Ａ’ｍ／Ｗど高いが、螢光ランプの特徴として
１灯当シの容量が小さい欠点がある。高圧ナトリウムラ
ンプは逆に黄色から染色を主体とした光源で、約１５０
〜１６０Ｊｍ／Ｗと現存する連続スペクトルを有する光
源の中で最高の発光効を有している。第１図に示す実施
例は高圧ナトリウムランプを用いて効率良く必要照度を
確保し、植物の形態形成に必要な青色光を昼光色螢光ラ
ンプで得たものである。なお、可視光波長領域全体に渡
って平均した光出力が得られ、しかも発光効率の高い光
源としては、例えば第１０図に示すような分光エネルギ
ー分布を有するメタルハライドランプ（１１０１ｍ／Ｗ
　）が知られており、この種の光源を用いれば一種類の
光源ですむ利点がある。

次に、必要な照度を得るためにどれだけの光源を用意す
るかを設定するための基本的な考え方を説明する。第９
図は光源の劣化特性を示したもので、一般に光源は放電
その他の発光現象を持続するときに放１！管内に飛散す
る金属原子や不純物の存在により１発光管の透過率の低
下や電流の変化、発光物質の劣化などにより発光出力が
低下する。

曲線Ｇ、は高圧ナトリウムランプの劣化特性、曲線Ｇ、
は昼光色螢光ランプの劣化特性を示す。一方、光源から
照射された光を効率よく被照射面に導くための反射笠を
はじめ、照明器具が設置された環境の汚れによる反射率
の低下を想定する。この光束劣化特性と反射率劣化特性
の積を保守率と呼び。

光源が寿命近くなり、環境も汚れた状態での所要照度維
持を設定する。この値は汚れの可能性が普通の場合で、
０．７程度が用いられる。すなわち。

第９図における曲線Ｇ０が全体を考えた場合の照度低下
曲線である。

第９図の例は、一般の部屋の場合であり１通常は床の反
射率は低く設定されている。しかるに、植物工場の場合
は床に相当する定植パネルＤは白色でありその反射率は
極めて高い。しかも％栽培している植物が生長すると床
面は植物で覆われ、全体として反射率は低下するという
問題がある。この変化の大きさは、前記した通シ平均照
度でみて約２０％であシ、この変化は無視できない。

第１１図は以上説明してきたような光源や周囲環境の状
態変化に基づく照度の低下、栽培植物の成長に伴う床面
反射率の低下に起因する照度の低下を考慮して設定され
た初期照度と、植物の飽和照度を考慮して設定した所要
照度の関係を示したものである。すなわち、横軸には植
物の定植から奴 収穫に到るＡ培期間を日数あるいは光源の点灯時間でプ
ロットし、Ｒ軸には照度をプロットする。

叡 ＸＩは任意の植物の裁培期間Ｘ。に等しく、Ｘ２は２為
を示す。Ｅ、は出該植物に対して設定した所要照度Ｅ、
を補償するために要する補償照度で、例えば約２割の照
度低下を見込んだ値として設定される。Ｅ、は光源の劣
化や周囲環境の汚れを見込んで設定した保守率を見込ん
だ初期照度で、保守率を０．７と設定した場合は補償照
度Ｅ、に保守率の逆数を乗じた値として設定される。そ
の結果、光源をその寿命時まで使用することを前提とｌ
−て初期照度Ｅ、を設定すると、この初期照度Ｅ、は所
要軟 照度Ｅ、の約１．８倍となる。一方、裁培期間Ｘ。は葉
菜類では比較的短かく、サラダ菜などでは定植から２〜
３週間で収穫される。この間の光源の点灯時間は２〜３
００時間であり、光源の寿命が１０゜０００時間前後で
あることを考えると極めて短かく、この期間だけをみれ
ば保守率は殆んど考慮するに当らない。このように考え
ると、第１１図に瓶 おける日数Ｘｌまでの威培勘間Ｘ０において、補償照度
Ｅ、から初期照度Ｅ、までの領域Ｚ、は、照度が飽和照
度を越えている以上、成長には不要な照度と言っても過
言ではない。この領域Ｚ１は日数Ｘ。

些 から日数Ｘ２に到る第２の栽培サイクルにおいては初期
照度Ｅ、の絶対値が若干小さくはなるものの、同様に不
要な照度領域として存在する。すなわち、この不要な照
度領域は第９図に示した曲線Ｇｏに従って若干づつ初期
照度Ｅ、を低減させながら縮小してゆく。理論上は光源
の寿命末期にはこの領域２．は零となる。

以上から明らかなように、この領域Ｚ１に相当する照度
を得るための光出力は無くても植物の成長にはそれほど
影響はないとみなされるため、積極的に除外することが
考えられる。この除外の効果は光源に供給される電力量
の減少として表われる。

第１１図の例によれば、領域ｚ１は全体の約３０％に当
り、’！！力量が約３０％の節約になる。第９図に示す
曲線Ｇ。に添って寿命期間を全うしたとすれば全期間を
通して平均で約１０％の電力量低減が可能である。

さらに、第１１図において曲線Ｇ、は植物の成育に従っ
て照度が低下する状況を示したものである。

この曲線Ｇ、を考慮し、常時所要照度Ｅ、を維持しよう
とすると曲線Ｇ、を天地逆転させた逆の曲線Ｇ４が得ら
れ、これが植物の定植時に換算した照度の曲線である。

この曲線Ｇ４と補償照度Ｅ、とで囲まれる図中において
２重斜線で示した領域Ｚ２は、これも領域Ｚｌと同様、
不要な照度領域である。この領域Ｚ２は所要照度Ｅ、と
補償照度Ｅ、とで囲まれる領域の約半分で、補償照度Ｅ
、で栽培期間Ｚ。全通して照明した場合の約１０％に相
当する。この照度比は、光源に対する入力電力比とみな
すことができるから、光源設置初期には実に約３５％程
度の入力電力の節減が可能になる。なお、光源の点滅に
よる照度制御で不十分な場合は、調光制御を採用するこ
とができる。螢光ランプの場合は連続調光が可能である
が、高圧ナトリウムランプやメタルハライドランプのよ
うな高圧放電灯の場合は連続調光が難しく多段々調光を
採用するとよい。

この制御用信号を得るのは第１図に示した受光センサー
Ｐ、、Ｐ、であることは言うまでもない。

第１２図は第１図に示す実施例における具体的な制御方
法を示したものである。この実施例における照明設計は
、飽和照度が２０〜２５ＫＬＸ程度の植物の栽培を目的
に設計したもので、最低照度を１９ＫＬＸに設定しであ
る。その結果、植物が生長した収穫期においては前述の
ような約２０％の照度低下を見込んで約２４ＫＬＸが得
られるよう設定しである。一方、光源の劣化、環境の汚
れに対しては通常の保守率の約半分を見込んで０，８５
程度に設定している。これは光源を寿命末期まで使用せ
ず光出力がある程度減少したら交換すること、照明器具
の清掃を定期的に実施し、汚れによる反射率の低下を防
止することを条件としたものである。その結果、初期照
度は２８ＫＬＸが得られる設計としである。この考えは
、発光効率が低下した状態で使用するよりは、光源を交
換した方が結果として経済性に優れているという見方に
よるものである。この実施例によれば、当初は第１スイ
ッチＳ１．第２スイツチＳ２のみを閉成すればおよそ１
９ＫＬＸの照度が得られる。栽培している植物が生長し
照度が低下してくると第１、第２のセンサーＰ０、Ｐ２
の受光出力が設定照度を下廻り、この信号により第３の
スイッチＳ、を閉成する。このときの設定照度は所要照
度として与えられ、例えば１７ＫＬＸとすれば照度変化
は曲線Ｇ、に示すように変化を示す。なお％　１１０Ｗ
螢光ランプＦは主として形態形成上の青色光を得る目的
で使用しているものであり、定植時と収穫時の間の中間
期の生長目的に対しては影響が少ないと考えられること
から、第３スイッチＳ、を閉成すると同時に第１のスイ
ッチＳ、を開放し、収穫期前にまた第１のスイッチＳＩ
を閉成することも可能である。このような制御によれば
、当初で約３５％の照明用電力が節約される。本発明者
等の試算によれば、栽培野菜の生産原価は、設備償却費
等が１９％、人件費等が２８％、電力費、肥料等の変動
費が５３％であり、その変動費の中で照明用電力費は約
５８％を占めており、これの低減効果は植物工場の実用
化において極めて重要な意味を有する。

なお、本実施例では点滅スイッチの開閉による照度制御
について説明したが、調光制御を行なえば殆んど設定し
た所要照度に添った照度制御が可能になるので電力消費
量の節約には一層の効果がある。

第１３図は第１図に示す制御装置Ｃの構成の一例を示す
もので、図において１は記憶回路である。

収 記憶回路ＩＫは例えば栽培する植物の品種、その品種の
飽和照度あるいは設定した所要照度、その品棧の生長標
準指数、その標準指数に対応する温度、炭酸ガス濃度情
報などを入力しておく。この入力にはその都度例えばキ
ーボードのようなデータ人力装ＮＫを用いて入力する場
合と、あらかじめ入力されたテープなどの記録媒体をそ
のま＼記憶回路１としてセットする場合がある。２は成
育状態検出装置で、例えば成育状態を高さで見る場合は
手動でセットしたシ、適宜の自動検出機構を備える。ま
た、定植パネルＤを上からカメラなどで一定区画をとら
え、植物の占める面積を計算して成育状態を検出するこ
ともできる。３は動作レベル設定回路で、成育状態検知
装置から送られてくる信号に基づいて記憶回路１の標準
生長指数に変換された実態指数信号を出力する。４はフ
ォトトランジスタや太陽電池のような光センサーで、フ
ィルターなどを使用することにより全波長照度、青色光
照度、赤色光照度などの信号を得ることができる。この
元センサー４の高さは成育状態検出装置２の出力によっ
て設定する。もちろん、この光センサ−４の設置場所は
第１図の実施例で説明したように照度分布士の低照度部
分へ設置する。

なお、２個以上複数個の光センサ−４を使用すると信頼
性の高い制御が可能になる。５は光センサ−４の出力を
正規の信号に変換する信号検出回路である。この照度信
号を動作レベル設定回路３に入力して、この照度レベル
における標準生長指数特性をとり出し、タイマーと連動
させて測定時点での標準指数信号を出力する。６は比較
回路で、前述の実態指数と標準指数の信号を比較して偏
差信号を出力する。この偏差信号に基づく制御は基本的
には光出力調整であるが、光源の種類、制御方式が点滅
か調光か、日長制御か照度レベル制御かなどによって方
式は多種多様である。その例を上げれば、生長不足が生
じた場合は設定した所要照度を高い値に変更し、生長過
剰ならば低い値に変更する。あるいは、日長を延長しま
たは短縮する。また、前述したように特定波長に対する
特定光源を設置している場合は、照度制御に加えて生長
時期に合わせて特定光源の点滅制御を行う。７はそのよ
うな制御を行うためのスペクトル調整回路、８は日長調
整回路で、９は照度レベル制御を含めた制御出力調整回
路である。この制御出力調整回路９は、前述のような種
々の光出力調整信号に基づいて光源の点灯回路を制御す
る負荷制御信号を出力する。ＩＯはその負荷制御信号に
基づいて照明負荷１１を制御する負荷制御回路である。

このような構成になる制御装置の動作を第１４図に示す
フローチャートによって説明する。まずべ 栽培する植物の品種設定をデータ入力装置ｉＫから人力
する。このとき、任意の手段により、記憶回路上に設定
品種に関するプ培関連情報を読み込んでおく。この情報
は、例えば次のような情報が含まれる。すなわち、定植
後経過日数に対する生長指数、生長指数と植物の高さあ
るいは広がりの換算データ、照度と光合成量の関係、生
長指数と飽和照度、適正スペクトル、設定所要照度、標
準日長に対する日長変化と生長指数の関係、標準温度、
炭酸ガス濃度と生長指数の関係、等である。一方。

各種のセンサーから自動的に、あるいは人間の判奴 断で裁培関連データを入力する。このデータ類は。

例えば成育状態データ、光データ、温度データ、炭酸ガ
ス濃度データなどである。これらのデータへ を設定された標準値と比較しながら栽培環境を制御する
。本発明においては温度や炭酸ガス濃度等は固定された
値若しくは周知の制御方法を利用するものとして扱い、
光に関する部分について説明する。先ず、成育状態デー
タを標準値と比較して。

例えば日長を制御する。この判定は標準値に対する木離
が小さい場合には日長調整を行い、大きい場合には標準
設定状件を修正するようにする。適正照度は飽和照度よ
り若干小さい値に設定して所要照度とする。この値は植
物の成育時期によって異なる場合もある。成育時期は例
えば発芽期、育苗期、生長期、収穫時に分離され、それ
ぞれに対し所要照度を設定する。したがって、成育時期
を判定し、その時期における適正照度、適正スペクトル
が得られているか判定する。その結果、不適轟な場合は
照明負荷を調整して適正値に合わせるよう制御する。こ
のような制御は経済性を第１に叡 考えてのシステムであるが、この種の栽培床を連続的に
設置し、連日適当量の収穫を得る植物工場の場合には、
遅れの生じた部分は部分的に経済性を無視しても成長を
促進させる必要があシ、そのような緊急割込制御も可能
なシステムとして構成しておく必要がある。

第１５図は第１３図・第１４図に示したような動作を行
なう制御装置の一例を示すものである。

図において、２０１は成育状態検出装置２で得られる成
育状態データで、マイコン等で構成した処理装置１００
１に入力される。処理装置１００１には飯 これに付随された記憶装置に前述のような栽培関連情報
を保持させておく。１０２はタイマーで、前記の処理装
置１００１のスタートに合わせて日数、時間をカウント
する。４１は元センサーとして用いられているフォトダ
イオードである。５１はＯＰアンプで、光センサ−４１
の光起電力に比例した光出力電圧■、をその出力信号と
して得ることができる。５２は出力調整用の抵抗である
。この光出力電圧■、はＯＰアンプ６１で構成した比較
器に入力される。このＯＰアンプ６１の基準電圧■。は
。

処理装置ｋ、１００１から出力される。この基準電圧鳩
は、処理装置１００１内で成育状態データ２０１とタイ
マー１０２から、生長指数が適正水準か否かを判断し、
適正ならば現時点の所要照度信号が基準電圧Ｖ。とじて
出力される。適正でなかった場合はタイマー１０２の設
定を制御して日長を調整するか、時間データや標準設定
データを調整する。

そして、新たに設定し直した条件での所要照度値を基準
電圧鳩として出力する。抵抗６２．６３は調整用抵抗で
ある。ＯＰアンプ６１は差動増巾器として動作し、光出
力電圧Ｖ、と基準電圧鳩との差電圧に比例した電圧を制
御電圧■として出力する。

６４は帰還抵抗である。この制御電圧■、は抵抗９２と
抵抗９３で分圧され％Ｎゲートサイリスタ９１のゲート
信号を供給する。一方、Ｎゲートサイリスタ９１のアノ
ード、カソード間にはコンデンサ９４が接続され、充電
抵抗９５を介して直流電圧が印加されている。この直流
電圧は商用電源を全波整流器９６を介して得たもので、
ツェナーダイオード９７でクリップされた台形状の波形
の電圧である。このような構成によれば、コンデンサ９
４の端子電圧が、ゲート電圧を越えたときＮゲートサイ
リスタ９１が導通し、抵抗９６に電流が流れて制御信号
を発生する。この制御信号は照明負荷１１１に流れる電
流の位相を制御するサイリスタ１１２のゲートに印加さ
れ、電流を制御する。

１１８は商用電源である。１１４は電源スィッチで、日
長を制御するタイマー１０２によって開閉される。この
光源負荷１１１による光出力はフォトダイオード４１に
入力され、所要照度に相当する光出力に達した状態で安
定する。この回路構成は連続調光を示すものセあるが、
回路の点滅５段調光の切換など任意の照度制御方式が採
用できることは言うまでもない。

〔発明の効果〕

ぺ 以上詳細に説明したように、本発明は植物の栽培床に供
給する光エネルギーのほとんど全てを人工照明によって
得る全天候制御形の植物工場において、植物を経済的に
効率良く育てるために必要な所要照度を設定し、人工照
明における光源自体の発光効率の劣化１反射板の汚れな
ど照明環境の劣化、植物の生長に起因する床面反射率低
下に伴う照度の低下などを考慮し、これら諸要件におけ
る最悪条件を想定した場合に前記所要照度が得られるよ
う照明装置を設備する。この状態において、照明装置の
点灯状態を、所要照度を必要以上に上廻らないよう、ま
た所要照度を下廻らないよう制御する。このような制御
方法によれば光源の設置初期には約３５％程度の減光が
可能になシ、同程度の電力の節約が計れる効果がある。

【図面の簡単な説明】

救 第１図は本発明による植物の栽培床に対する光源の配置
図、第２図は照明器具の設置状態を示すべ 要部断面図、第８図は第４図に示す栽培床の照度分布図
、第４図はそのうちの一部を消灯した場合の照度分布図
、第５図は視感度曲線と葉緑素の光吸収曲線、第６図は
照度と光合成量の関係を示す特性図、第７図は昼光色螢
光ラングの分光エネルギー分布図、第８図は高圧ナトリ
ウムラングの分光エネルギー分布図、第９図は光源の劣
化特性図、第１０図はメタルハライドランプの分光エネ
ルギー分布図、第１１図は時間に対する各檀照度の変化
を示す特性図、第１２図は第１図に示す実施例における
照度変化を示す特性図、第１８図は照明負荷を制御する
ための制御装置のブロック図、第１４図は制御装置の制
御方式を示すフローチャート、第１６図は制御装置の具
体的回路図である。 奴 図において、Ａは栽培床、Ｃは制御装ｆ＆ｔ、　Ｄは定
植パネル、Ｅ、は所要照度、Ｅ、は補償照度、Ｅ、は初
期照度、Ｆは１１０Ｗ螢光ランプ、Ｋはデータ入力装置
、Ｍは６４０Ｗ高圧す）　ＩＪウムランプ、Ｎは９４０
Ｗ高圧ナトリウムランプ、　Ｐ、　、　Ｐ、は第１゜第
２の受光センサーである。 ＄　２　図 ＄　　３　田 第　４　　図 弔　５　口　　　　　　　　第す図 双　−ｋ　　＜＊ｍ　、　　　　　　　　　　　　　　
　　　（Ｅ）　　Ｒ）ｌ　−１’。 第　７　図　　　　　　＄　８　図 点汀婢濁涛争順 ＄　１１　図 時間□ ＄１４Ｉ２１１ 手続補正書（方式） 事件の表示 昭和６０年特許願第　１１０４５１、 発明の名称 植物工場の照明制御方法および装置 補正をする者 を件との関係　　　特　許　出　願　入代　　　理　　
　人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光エネルギーを主として人工照明によつて供給する
   全天候制御形の植物工場において、栽培される植物の飽
   和照度を基準として所要照度を設定し、該所要照度を少
   なくとも人工照明用の光源の交換直前における当該植物
   の収穫期においても供給可能に設定すると共に、該人工
   照明の入力電力制御手段によりを前記所要照度を下廻ら
   ない範囲で入力電力を制御することを特徴とする植物工
   場の照明制御方法。 ２、前記所要照度を全波長、青色光、赤色光等任意のフ
   ィルターを用いて測定し、任意に定めた特定時期におい
   て特定の光源への入力電力を制御することを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の植物工場の照明制御方法。 ３、前記植物に供給する照度は植物の草■上面付近で測
   定し、この値を前記所要照度との比較対象として使用し
   人工照明を制御することを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の植物工場の照明制御方法。 ４、前記植物に供給する照度は、栽培床における照度分
   布上実質的な最低照度付近で測定し、この値を前記所要
   照度との比較対象として使用し人工照明を制御すること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の植物工場の照
   明制御方法。 ５、植物を栽培する栽培床と、該栽培床に照射する光エ
   ネルギーを主として供給する人工照明装置と、該人工照
   明装置に対する入力電力制御手段と、この入力電力制御
   手段を制御する制御装置からなり、該制御装置は任意の
   手段で入力される植物の栽培関連情報を記憶する記憶手
   段と、任意の手段で入力される植物の成育状態データを
   基礎に前記栽培関連情報を処理して所要照度に相当する
   基準値を出力する処理手段と、光センサーからの光デー
   タと前記基準値を比較する比較手段を備え、前記比較手
   段の出力によつて前記入力制御手段を制御することを特
   徴とする植物工場の照明制御装置。