KR101794622B1 - 수직생장형 작물의 탄산시비 효율 향상을 위한 이산화탄소 공급장치 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시설재배 공간의 상부에 설치되어 이산화탄소를 이송하는 이송관, 상기 이송관과 연결되어 수직생장형 작물의 군락 내부로 이산화탄소를 분사하는 분사장치 및 상기 분사장치의 높이를 조절하는 높이조절장치를 포함하는 수직생장형 작물의 탄산시비 효율 향상을 위한 이산화탄소 공급장치 및 그 제어방법을 제공하며, 본 발명에 따르면, 작물의 생육단계별 최적화된 이산화탄소를 공급하여, 향상된 광합성 효율에 의해 작물의 수량을 증가시키고 품질을 향상시키는 효과가 있다.

Description

수직생장형 작물의 탄산시비 효율 향상을 위한 이산화탄소 공급장치 및 그 제어방법{Carbon dioxide supply system to enhancing carbon dioxide application efficiency of verticality growth crop and method for controlling the same}

본 발명은 수직생장형 작물의 탄산시비 효율 향상을 위한 이산화탄소 공급장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.

잦은 기상이변과 환경오염은 농작물의 안정적인 생산을 방해할 뿐 아니라 농작물의 품질과 신선도에도 악영향을 미친다. 이러한 기후 변화와 환경오염으로부터 안전한 농산물을 생산하기 위해서는 밀폐가 가능하고 환경조절이 용이한 시설에서의 작물생산이 바람직하다. 시설재배는 외부 기상환경의 불안정한 변화에도 더욱 적극적인 재배환경 조절이 가능하므로 작물의 생산성 향상에도 크게 도움이 된다. 일반적으로 시설재배는 일정한 규모의 시설 내에서 광, 온도, 습도, 양분, 수분, 이산화탄소 등 작물생육에 필요로 하는 요소를 인공적으로 제어하여 위치와 계절에 상관없이 작물의 연중생산을 가능하게 한다.

농촌진흥청 통계자료에 따르면(농촌진흥청, 2015), 국내의 경우 시설재배 면적은 2014년 기준 약 93,000ha로 이는 시설원예분야 선진국인 네덜란드 시설면적 10,300ha의 약 9배에 달하는 규모를 갖추고 있다. 그러나, 국내의 경우 단위면적당 작물생산량은 네덜란드에 비해 품목에 따라 1/2~1/4수준에 미치지 못하고 있다. 이러한 차이는 시설의 형태와 구조, 외부기상환경의 차이, 탄산시비의 유무 등에 기인되는 것으로 해석되고 있다.

이산화탄소는 양분 및 수분과 더불어 작물 생육과 발달에 필수 요소이며, 빛, 온도 및 습도 등의 물리적 환경조건과는 달리 광합성 과정에서 소모되는 요소로 알려졌다(출원번호 10-2009-0063512). 일반적으로 대기 중 이산화탄소의 농도는 350~400ppm 정도로 유지되고 있으나, 유리나 플라스틱 필름 온실과 같이 밀폐된 시설에서는 작물이 광합성을 하는 주간 동안 그 농도가 급격히 감소하여 일출 이후 3시간이 경과하면 광합성률이 현저히 감소하여 탄소동화작용이 저해된다. 이러한 것을 고려할 때 시설재배에서의 탄산시비는 필수적인 요소이다. 국내의 경우 일부 과채류 시설농가에서 이산화탄소를 공급하는 탄산시비를 행하고 있다. 대부분은 액화탄산가스를 이용하고 있으며 이산화탄소 공급방법은 고형배지와 나란히 공급파이프를 두어 시설의 바닥에 고정되어 분사되도록 하는 특징을 지니고 있다.

일반적인 이산화탄소 공급방법은 플라스틱 소재 파이프를 통해 지상부 바닥에서 이산화탄소가 분사되므로, 대기 중 98%로 존재하는 질소나 산소의 무게보다 무거운 이산화탄소가 시설내부 공간의 바닥에 가라앉게 된다. 이로 인해, 시설내부 공간의 이산화탄소 농도는 불균일한 문제점이 발생하여, 탄산시비를 통한 작물 체내로의 이산화탄소 흡수가 원만하지 않다. 특히, 파프리카, 토마토, 오이 및 멜론과 같이 시설 내에서 수직생장형으로 재배되는 작물은 생육단계별 생장점의 위치가 계속 높아짐으로 인해 이산화탄소 공급 위치가 높아져야 할 필요성이 있다. 또한, 작물이 이용할 수 없는 공간에 공급되는 이산화탄소는 쉽게 외부로 유출되어 환경적으로도 문제가 되며 경제적으로도 손실이 따르게 된다. 지금까지 개발된 이산화탄소 공급방식으로는 이러한 문제점들을 해결하기 어려우며 이용효율성 측면에서도 개선의 여지가 필요하다.

본 발명은 수직생장형 작물의 생육단계별 최적화된 이산화탄소를 공급하여, 작물의 광합성 효율 향상을 도모하는 이산화탄소 공급장치 및 그 제어방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 시설재배 공간의 상부에 설치되어 이산화탄소를 이송하는 이송관, 상기 이송관과 연결되어 수직생장형 작물의 군락 내부로 이산화탄소를 분사하는 분사장치 및 상기 분사장치의 높이를 조절하는 높이조절장치를 포함하는 수직생장형 작물의 탄산시비 효율 향상을 위한 이산화탄소 공급장치를 제공한다.

상기 이송관으로 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 저장탱크를 더 포함할 수 있다.

상기 분사장치는 분사노즐을 포함할 수 있다.

상기 분사노즐은 개폐 기능 및 지면과 수직한 축을 기준으로 회전하는 기능으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 기능을 가질 수 있다.

상기 시설재배 공간 내 이산화탄소 농도를 측정하는 센서 및 상기 분사장치의 높이 및 이산화탄소의 공급량을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

상기 제어부는 시설재배 공간 내 작물의 평균 높이에 따라 분사장치의 높이를 제어할 수 있다.

상기 제어부는 상기 센서가 측정한 이산화탄소의 농도에 따라 상기 분사장치가 공급하는 이산화탄소의 공급량을 제어할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 시설재배 공간의 상부에 연결된 분사장치에서 이산화탄소를 분사하여 수직생장형 작물의 군락 내부로 이산화탄소를 공급하는 공급단계, 이산화탄소 농도 측정 센서에 의해 상기 시설재배 공간의 이산화탄소 농도를 측정하는 이산화탄소 농도 측정 단계 및 상기 분사장치의 높이 및 이산화탄소의 공급량을 제어하는 제어 단계를 포함하는 수직생장형 작물의 탄산시비 효율 향상을 위한 탄산가스 공급장치의 제어방법을 제공한다.

상기 센서는 시절재배 공간의 구획된 각 구간별 이산화탄소를 측정할 수 있다.

상기 제어 단계는 시설재배 공간 내 작물의 평균 높이에 따라 상기 분사장치의 높이를 제어할 수 있다.

상기 제어 단계는 시설재배 공간의 측정된 이산화탄소 농도에 따라 상기 분사장치가 공급하는 이산화탄소의 공급량을 제어할 수 있다.

본 발명에 따르면, 작물의 생육단계별 최적화된 이산화탄소를 공급하여, 향상된 광합성 효율에 의해 작물의 수량을 증가시키고 품질을 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예인 이산화탄소 공급장치를 모식적으로 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.

수직생장형으로 재배되는 작물은 줄기의 끝에 위치한 생장점의 위치가 계속 높아지므로, 상기 생장점의 위치에 따라 이산화탄소 공급 위치가 높아질 필요성이 있다. 하지만, 일반적인 이산화탄소 공급방법은 파이프를 통해 지상부 바닥에서 시설내부 공간으로 이산화탄소가 분사되고 있으며, 무게가 무거운 이산화탄소는 시설내부 공간의 바닥에 가라앉아 있으므로, 수직생장형 작물의 생육단계별 최적화된 이산화탄소를 공급할 수 없어 작물의 수량을 증가시키고 품질은 향상시키기 어려운 문제점이 있다.

그러나, 본 발명의 이산화탄소 공급장치 및 그 제어방법은 시설재배 공간의 상부에 연결된 분사장치에서 수직생장형 작물의 군락 내부로 이산화탄소를 공급하며, 상기 분사장치의 높이는 생육단계별 작물의 줄기 생장점 위치에 따라 제어할 수 있다.. 따라서, 작물의 생육단계별 최적화된 이산화탄소를 공급하여, 향상된 광합성 효율에 의해 작물의 수량을 증가시키고 품질을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예인 이산화탄소 공급장치를 모식적으로 나타낸 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 의한 이산화탄소 공급장치는, 도 1에 도시된 실시예와 같이, 시설재배 공간의 상부에 설치되어 이산화탄소를 이송하는 이송관(40), 상기 이송관과 연결되어 수직생장형 작물의 군락 내부로 이산화탄소를 분사하는 분사장치(70) 및 상기 분사장치의 높이를 조절하는 높이조절장치(60)를 포함할 수 있다.

작물은 수경재배 베드장치(10)에서 재배되며, 시설재배 공간의 상부에는 인공광원(20)이 설치될 수 있다. 또한, 이송관(40)으로 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 저장탱크(30)를 더 포함할 수 있다. 상기 이산화탄소 저장탱크는 시설재배 공간의 내부 또는 외부에 설치될 수 있으며, 이산화탄소를 저장하는 기능뿐만 아니라, 이산화탄소를 발생시키는 기능을 가질 수도 있다.

이산화탄소의 이송은 이송관(40)을 통해 이루어진다. 상기 이송관은 시설재배 공간의 상부에 설치될 수 있다. 예를 들어, 작물이 식재되어 있는 방향과 나란한 방향으로 시설재배 공간의 상부에 설치될 수 있다. 또한, 다수 개의 이송관이 시설재배 공간의 상부에 설치될 수 있으며, 다수 개의 이송관은 평행하게 설치되는 것이 바람직하다.

본 발명의 이산화탄소 공급장치는 상기 이송관(40)과 연결되어 수직생장형 작물의 군락 내부로 이산화탄소를 분사하는 분사장치(70)를 포함할 수 있다. 상기 분사장치는 시설재배 공간의 상부에 연결되어 작물의 군락 내부로 이산화탄소를 분사할 수 있으므로, 종래의 이산화탄소 공급장치가 지상부 바닥에서 이산화탄소를 분사함으로 인해 시설내부 공간 내 이산화탄소의 농도가 불균일하다는 문제점을 해소할 수 있다.

상기 분사장치(70)는 이산화탄소를 직접적으로 분사하는 분사노즐을 포함할 수 있으며, 다수의 분사노즐이 분사장치에 포함될 수 있다. 상기 분사노즐은 개폐 기능 및 지면과 수직한 축을 기준으로 회전하는 기능으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 기능을 가질 수 있다. 즉, 시설재배 공간 내의 이산화탄소 농도에 따라 분사노즐을 개폐할 수 있다. 또한, 상기 분사노즐은 지면과 수직한 축을 기준으로 회전하면서 이산화탄소를 분사할 수 있으며, 이로 인해, 일부분의 작물 군락에만 이산화탄소를 분사하는 것이 아니라, 분사장치를 둘러싼 모든 작물 군락 내에 균일하게 이산화탄소를 분사할 수 있다.

상기 분사장치(70)는 시설재배 공간 내 수직생장형 식물의 작물의 평균 높이에 따라 높이가 조절될 수 있으며, 이러한 분사장치의 높이 조절은 높이조절장치(60)를 통하여 이루어질 수 있다. 상기 높이조절장치는 분사장치가 직접적으로 연결된 이송관(40)의 위치에 설치되는 것이 바람직하다.

수직생장형 작물은 줄기의 끝에 위치한 생장점의 위치가 계속 높아지며, 상기 생장점의 위치에 따라 이산화탄소 공급 위치가 높아질 필요성이 있다. 그러나, 시설재배 공간 내 각 작물의 생장점을 개별적으로 반영하는 것은 불가능하므로, 본 발명에 있어서 이러한 높이를 "시설 재배 공간 내 작물의 평균 높이"인 것으로 설정하였다.

다만, 상기 "시설재배 공간 내 작물의 평균 높이"는 특정한 높이로 제한되는 것은 아니며, 식물이 생장함에 따라 변경된다. 나아가 시설 재배 공간 내 수직생장형 작물의 평균 높이를 기준으로 상하 50% 정도 높이 구간도 포함되는 것으로, 바람직하게는 상기 평균 높이를 기준으로 상하 30% 정도 범위의 구간인 것이고, 더욱 바람직하게는 상기 평균 높이를 기준으로 상하 10% 정도 범위의 구간이다..

상기 높이조절장치(60)는 분사장치(70)의 높이를 조절할 수 있으며, 분사장치의 높이는 작물의 평균 높이에 따라 제어될 수 있다. 작물이 수직 생장하여 작물의 평균 높이가 높아지는 경우 줄기 끝에 위치한 생장점의 위치도 높아지므로, 분사장치의 높이도 높아질 필요가 있다. 따라서, 작물의 평균 높이가 높아지면 높이조절장치는 분사장치의 높이를 조절하여, 줄기 생장점 부근의 잎들을 향해서 이산화탄소를 분사할 수 있다. 이로 인해, 작물의 생육단계별 최적화된 이산화탄소를 공급할 수 있으며, 이로 인해, 향상된 광합성 효율에 의해 작물의 수량을 증가시키고 품질을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르며, 이산화탄소 분사장치는 상기 시설재배 공간 내 이산화탄소 농도를 측정하는 센서(50) 및 상기 분사장치의 높이 및 이산화탄소의 공급량을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

시설재배 공간 내의 이산화탄소의 농도는 센서(50)에 의하여 측정될 수 있다. 상기 센서가 측정한 이산화탄소의 농도가 기설정된 이산화탄소의 농도보다 낮으면, 제어부에서는 상기 분사장치(70)가 공급하는 이산화탄소의 공급량을 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 센서가 측정한 이산화탄소의 농도가 기설정된 이산화탄소의 농도보다 높으면, 제어부에서는 상기 분사장치가 공급하는 이산화탄소의 공급량을 낮출 수 있다.

시설재배 공강에서 기설정된 이산화탄소의 농도는 작물의 생산량 증대에 효과적인 농도 범위라면 특별히 한정하지 않으나, 예를 들어, 기설정된 이산화탄소의 농도는 600 내지 800ppm인 것이 바람직하다.

상기 제어부에서 시설재배 공간에 분사되는 이산화탄소의 공급량을 낮추기 위해서는, 개폐 가능한 분사노즐 입구를 닫거나, 분사노즐에서 분사되는 이산화탄소의 농도 및 압력을 낮추는 방법 등을 이용하여 이산화탄소의 공급량을 낮출 수 있다. 반면, 상기 제어부에서 시절재배 공간에 분사되는 이산화탄소의 공급량을 높이기 위해서는, 닫혀있던 분사노즐의 입구를 개방하고, 분사노즐에서 분사되는 이산화탄소의 농도 및 압력을 높이는 방법 등을 이용하여 이산화탄소의 공급량을 높일 수 있다.

또한, 상기 제어부는 시설재배 공간 내 작물의 평균 높이에 따라 분사장치의 높이를 제어할 수 있다. 파프리카, 토마토, 오이 및 멜론과 같은 작물은 수직 생장하여 작물의 평균 높이가 높아지는 경우 줄기 끝에 위치한 생장점의 높이도 높아지므로, 분사장치의 높이도 높아질 필요가 있다. 따라서, 작물의 평균 높이가 높아지면 제어부는 분사장치의 높이를 조절하여, 줄기 생장점 부근의 잎들을 향해서 이산화탄소를 분사하도록 할 수 있다. 이로 인해, 작물의 생육단계별 최적화된 이산화탄소를 공급할 수 있으며, 이로 인해, 향상된 광합성 효율에 의해 작물의 수량을 증가시키고 품질을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예는 수직생장형 작물의 탄산시비 효율 향상을 위한 탄산가스 공급장치의 제어방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 탄산가스 공급장치의 제어방법은, 시설재배 공간의 상부에 연결된 분사장치에서 이산화탄소를 분사하여 수직생장형 작물의 군락 내부로 이산화탄소를 공급하는 공급단계, 이산화탄소 농도 측정 센서에 의해 상기 시설재배 공간의 이산화탄소 농도를 측정하는 농도 측정 단계 및 상기 분사장치의 높이와 이산화탄소의 공급량을 제어하는 제어 단계를 포함할 수 있다.

즉, 도 1을 참조하면, 시설재배 공간의 상부에 이송관(40)이 설치되어 있으며, 이산화탄소를 분사하는 분사장치(70)는 상기 이송관과 연결되어 수직생장형 작물의 군락 내부로 이산화탄소를 공급할 수 있다. 이로 인해, 종래의 이산화탄소 공급장치가 지상부 바닥에서 시설내부 공간으로 이산화탄소가 분사하여 시설내부 공간 내 이산화탄소의 농도가 불균일하다는 문제점을 해소할 수 있다.

수직생장형 작물의 군락 내부로 이산화탄소를 공급한 후, 센서(50)에 의해 시설재배 공간의 이산화탄소 농도를 측정할 수 있다. 상기 센서는 시절재배 공간의 구획 별로 배치될 수 있으며, 이로 인해, 시절재배 공간에는 다수 개의 센서가 설치될 수 있다. 상기 센서는 설치된 구간별 이산화탄소를 측정할 수 있으므로, 이산화탄소의 농도가 낮아진 구획에만 이산화탄소의 공급량을 증가시킬 수 있다.

상기 센서(50)와 유선 또는 무선으로 연결된 제어부는 센서의 신호를 받을 수 있다. 상기 센서가 측정한 이산화탄소의 농도가 기설정된 이산화탄소의 농도보다 낮은 경우 분사장치(70)가 공급하는 이산화탄소의 공급량을 증가시킬 수 있으며, 상기 센서가 측정한 이산화탄소의 농도가 기설정된 이산화탄소의 농도보다 높은 경우 상기 분사장치가 공급하는 이산화탄소의 공급량을 낮출 수 있다. 이러한 이산화탄소의 공급량은 분사노즐의 개폐, 분사노즐에서 분사되는 이산화탄소의 농도 및 압력 등을 제어하는 방법 등에 의하여 조절할 수 있다.

또한, 상기 제어부는 시설재배 공간 내 작물의 평인 높이에 따라 분사장치의 높이를 제어할 수 있으며, 이로 인해, 작물의 생육단계별 최적화된 이산화탄소를 공급하여, 수직생장형 작물의 수량을 증가시키고, 광합성 효율 및 작물의 품질을 향상시킬 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

10 : 수경재배 베드장치
20 : 인공강원
30 : 이산화탄소 저장탱크
40 : 이송관
50 : 센서
60 : 높이조절장치
70 : 분사장치

Claims (11)

1. 시설재배 공간의 상부에 설치되어 이산화탄소를 이송하는 이송관;
   상기 이송관과 연결되어 수직생장형 작물의 군락 내부로 이산화탄소를 분사하는 분사장치; 및
   상기 분사장치의 높이를 조절하는 높이조절장치;
   상기 시설재배 공간 내 구획된 각 구간별 이산화탄소 농도를 측정하는 센서; 및
   상기 센서가 측정한 이산화탄소의 농도에 따라 상기 분사장치의 높이 및 이산화탄소의 공급량을 제어하는 제어부를 포함하는,
   수직생장형 작물의 탄산시비 효율 향상을 위한 이산화탄소 공급장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 이송관으로 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 저장탱크를 더 포함하는, 수직생장형 작물의 탄산시비 효율 향상을 위한 이산화탄소 공급장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 분사장치는 분사노즐을 포함하는, 수직생장형 작물의 탄산시비 효율 향상을 위한 이산화탄소 공급장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 분사노즐은 개폐 기능 및 지면과 수직한 축을 기준으로 회전하는 기능으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 기능을 가진, 수직생장형 작물의 탄산시비 효율 향상을 위한 이산화탄소 공급장치.
   
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는 시설재배 공간 내 작물의 평균 높이에 따라 분사장치의 높이를 제어하는, 수직생장형 작물의 탄산시비 효율 향상을 위한 이산화탄소 공급장치.
   
7. 삭제
8. 시설재배 공간의 상부에 연결된 분사장치에서 이산화탄소를 분사하여 수직생장형 작물의 군락 내부로 이산화탄소를 공급하는 공급단계;
   이산화탄소 농도 측정 센서에 의해 상기 시설재배 공간의 구획된 각 구간별 이산화탄소 농도를 측정하는 농도 측정 단계; 및
   상기 시설재배 공간의 구획된 각 구간별 측정된 이산화탄소 농도에 따라 분사장치의 높이 및 이산화탄소의 공급량을 제어하는 제어 단계를 포함하는,
   수직생장형 작물의 탄산시비 효율 향상을 위한 탄산가스 공급장치의 제어방법.
   
9. 삭제
10. 제8항에 있어서,
    상기 제어 단계는 시설재배 공간 내 작물의 평균 높이에 따라 상기 분사장치의 높이를 제어하는, 수직생장형 작물의 탄산시비 효율 향상을 위한 탄산가스 공급장치의 제어방법.
    
11. 삭제

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