KR102050330B1 - 태양광을 이용한 식물공장 시스템 - Google Patents

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Abstract

태양광을 이용한 식물공장 시스템을 제공한다.
본 발명은 재배건물부의 상부 노천영역에 구비되는 제1집광부와 제2집광부를 갖추어 태양광을 집광하는 집광부 ; 상기 제1집광부에서 집광된 태양광을 제1광케이블을 매개로 전달받아 전송된 태양광의 일부는 조명용 태양광으로 투과시키고, 나머지 태양광은 발전용 태양광으로 반사시키는 적어도 하나의 광투과반사필터를 갖추어 태양광을 조명용 태양광과 발전용 태양광으로 분리하는 광필터부; 상기 광필터부와 연결되는 광파이프를 상기 재배실에 배치하여 상기 광투과반사필터에 의해서 투과되어 상기 광파이프 내부로 공급되는 조명용 태양광에 의해서 상기 재배실의 실내공간을 조명하는 조명부 ; 상기 제2집광부에서 집광된 태양광을 제2광케이블을 매개로 전달받는 축열실을 갖추고, 상기 축열실의 내부에 상기 제2광케이블을 통하여 전달되는 태양광의 복사에너지에 의해서 발열하는 흑체를 갖추고, 상기 흑체에 의해서 상변화되는 상변화물질을 축열실의 내부에 갖추어 열에너지를 축열하는 축열부 ; 및 상기 축열실의 내부에 배치되어 축열된 열에너지를 흡수하는 제1열교환기를 갖추고, 상기 재배실에 배치되어 열에너지를 방출하는 제2열교환기를 갖추어 상기 재배실을 난방하는 열교환부 ; 를 포함한다.

Description

태양광을 이용한 식물공장 시스템{Plant Factory System using the Sunlight}
본 발명은 태양광을 이용한 식물공장 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세히는 엘이디 광원을 설치하고, 전원케이블을 설치하는 배선하는 작업의 필요없이 식물재배가 이루어지는 실내에 태양광 조명을 안정적으로 제공할 수 있고, 태양광을 이용하여 식물재배가 이루어지는 재배실 내부의 온도를 일정하게 유지하도록 난방을 제공할 수 있는 태양광을 이용한 식물공장 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 식물공장은 채소작물과 같은 농작물을 통제관리되는 일정한 시설 내에서 빛, 온도 및 습도, 이산화탄소 농도, 배양액 등의 환경조건을 인공적으로 제어하면서 계절이나 장소에 관계없이 대량으로 재배하여 수확물을 생산할 수 있는 인공 건축 구조물이다.
이러한 식물공장은 최근처럼 기상이변이 자주 발생하여 먹거리의 안정성과 가격 폭등 상태가 빈번하게 일어나는 상황에서 계절 및 장소와 관계없이 사계절 동안 무공해 신선한 유기농 야채와 같은 수확물을 얻을 수 있고 좁은 공간에서도 효율적으로 대량 생산이 가능하다는 점에서 주목받고 있다.
(특허문헌 1) KR10-1571548 B1
(특허문헌 2) KR10-1578808 B1
특허문헌 1에는 묘목이식과 재배작물 수확작업의 자동화가 가능하고, 식물공장 내의 환경이 정밀 통합 제어되도록 구성되어 양질의 엽채류와 과채류 등을 무공해 환경에서 저비용, 적은 노동력으로 대량 생산할 수 있는 식물공장 자동화장치를 개시하고 있다.
특허문헌 2에는 건물의 위치에너지를 이용하여 전력을 저장하는 상부 저장조와 야간 LED 조명의 전력공급을 위해 주간 잉여전력 및 신재생 발전전력을 건물 위치에너지를 이용하여 저장한 후, 야간에 일정기간 동안 전력을 생산하여 LED 조명전력으로 이용하도록 하는 소수력 발전부와, 식물 생육을 위한 열 공급 및 이산화탄소 시비용의 축열조 및 이산화탄소 저장조로 구성된 건물 내재형 에너지 저장부와, 지상층 및 지하층의 식물 생육공간에 태양광을 각각 채광, 공급하는 제1및 제2채광부로 구성되며, 지상층의 층별, 층고 조절부를 이용하여 식물의 생육에 필수적인 태양 에너지를 원활하게 유입하기 위한 건물 층고 조절부를 포함하는 식물공장용 에너지 공급 시스템을 개시하고 있다.
그러나 종래 식물재배를 위해서 제공되는 식물공장의 조명원은 태양광 발전에서 발생하는 전기를 전력 공급원으로 사용함에 따라 건물 내,외부에 조명용 전원공급을 위하여 전선케이블을 배선해야만 하고, 전원공급에 의해서 인공조명을 발생시키는 엘이디를 설치해야만 하기 때문에 재배실에서의 엘이디 설치 및 전원케이블 배선작업에 따른 전체적인 설비시공 비용 및 관리유지 비용이 증가하게 되는 문제점이 있었다.
또한, 식물재배가 이루어지는 건물 내부의 온도를 일정하게 유지하기 위해서는 가스 또는 전기를 이용한 별도의 난방설비를 갖추어야만 하고, 특히 대기온도가 낮은 겨울철에는 전력소비와 더불어 난방비가 가중되기 때문에 전체적인 관리유지비가 높아지고, 식물공장에서 재배되는 작물의 가격경쟁력을 약화시키는 문제점이 발생하였다.
따라서, 본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 엘이디 광원이나 전원케이블을 설치하고 배선하는 작업의 필요없이 식물재배가 이루어지는 실내에 태양광 조명을 안정적으로 제공할 수 있고, 태양광을 이용하여 식물재배가 이루어지는 재배실 내부의 온도를 일정하게 유지하도록 난방을 제공할 수 있는 태양광을 이용한 식물공장 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 구체적인 수단으로서 본 발명의 바람직한 실시예는, 복수개의 수평격벽에 의해서 복수개의 재배실을 분할구획하는 재배건물부를 포함하여 식물재배가 이루어지는 식물공장 시스템에 있어서, 상기 재배건물부의 상부 노천영역에 구비되는 제1집광부와 제2집광부를 갖추어 태양광을 집광하는 집광부 ; 상기 제1집광부에서 집광된 태양광을 제1광섬유를 매개로 전달받아 전송된 태양광의 일부는 조명용 태양광으로 투과시키고, 나머지 태양광은 발전용 태양광으로 반사시키는 적어도 하나의 광투과반사필터를 갖추어 태양광을 조명용 태양광과 발전용 태양광으로 분리하는 광필터부; 상기 광필터부와 연결되는 광파이프를 상기 재배실에 배치하여 상기 광투과반사필터에 의해서 투과되어 상기 광파이프 내부로 공급되는 조명용 태양광에 의해서 상기 재배실의 실내공간을 조명하는 조명부 ; 상기 제2집광부에서 집광된 태양광을 제2광섬유를 매개로 전달받는 축열실을 갖추고, 상기 축열실의 내부에 상기 제2광섬유를 통하여 전달되는 태양광의 복사에너지에 의해서 발열하는 흑체를 갖추고, 상기 흑체에 의해서 상변화되는 상변화물질을 축열실의 내부에 갖추어 열에너지를 축열하는 축열부 ; 및 상기 축열실의 내부에 배치되어 축열된 열에너지를 흡수하는 제1열교환기를 갖추고, 상기 재배실에 배치되어 열에너지를 방출하는 제2열교환기를 갖추어 상기 재배실을 난방하는 열교환부 ; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광을 이용한 식물공장 시스템을 제공한다.
바람직하게, 상기 조명부는 상기 광파이프의 개방된 양단을 밀폐하는 한쌍의 마감판을 포함하고, 상기 한쌍의 마감판 중 어느 하나를 통하여 광파이프의 내부로 출력단이 진입되는 광섬유를 매개로 조명용 태양광을 전달받을 수 있도록 상기 광필터부의 하우징과 연결될 수 있다.
바람직하게, 상기 조명부는 상기 광파이프의 개방된 일단을 밀폐하는 마감판을 포함하고, 상기 광파이프의 개방된 타단이 조명용 태양광을 공급받을 수 있도록 광필터부의 하우징과 연결될 수 있다.
더욱 바람직하게, 상기 광파이프의 입구단에는 상기 재배실에서 재배되는 식물에 적합한 특정파장대역의 조명용 태양광만을 투과하는 적어도 하나의 광필터부재를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 조명부는 상기 재배실의 식물과 마주하는 외부면에 조명창을 형성할 수 있도록 관통부를 개구형성하고, 상기 광파이프의 외부면을 덮어 광을 차단하는 광차단부재를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 축열실은 상기 제2집광부로부터 연장되는 복수개의 제2광섬유를 몸체내부에 삽입하여 다발형태로 고정하는 일정길이의 수정체를 포함할 수 있다.
더욱 바람직하게, 상기 수정체의 하단은 상기 제2광섬유의 출력단이 상기 축열실의 바닥면에 고정설치되는 흑체와 서로 마주하도록 구비되고, 상기 제2광섬유의 출력단에는 상기 흑체에 축열용 태양광을 집중조사할 수 있도록 반구형 렌즈를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 축열실에는 상기 흑체에서 발생하는 열에너지를 전기에너지를 변환시키는 적어도 하나의 열전발전소자를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 열교환부는 상기 제1열교환기와 제2열교환기는 열매체를 일방향으로 순환시킬 수 있도록 펌프부재를 갖는 연결순환라인에 의해서 연통연결되고, 상기 제2열교환기에는 상기 재배실에 난방용 온풍을 공급할 수 있도록 송풍기를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
1) 광필터부에서 반사되는 조명용 태양광이 재배실에 구비되는 광파이프에 공급됨으로써 재배건물부에서 식물재배가 이루어지는 재배실에 대한 조명이 이루어지기 때문에 엘이디 광원을 재배실에 별도로 설치하고 전원케이블을 재배실에 배선하는 작업이 불필요하여 식물공장의 관리유지비를 절감할 수 있고, 태양광을 재배실의 조명원으로 대체하여 식물공장에서의 전기에너지 사용량을 줄일 수 있다.
2) 재배실에서 재배되는 식물에 엘이디 광원과 같은 인공광 대신에 자연 태양광을 제공할 수 있기 때문에 식물의 성장속도를 높이고, 식물의 재배수확량을 높일 수 있다.
3) 집광부에서 집광되어 공급되는 태양광 복사에너지를 흑체에 의해서 열에너지로 전환한 다음, 축열실에서 상변이되는 상변화물질에 저장되는 잠열을 재배실에서 난방열원으로 열교환함으로써 재배건물부에서 식물재배가 이루어지는 재배실에 대한 난방이 이루어지기 때문에 전기 및 가스와 같은 별도의 에너지원을 사용하지 않고도 야간에 재배실 내부의 온도를 일정하게 유지할 수 있어 식물공장의 관리유지비를 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양광을 이용한 식물공장 시스템을 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양광을 이용한 식물공장 시스템에서 재배건물부에 설치되는 집광부를 도시한 구성도이다.
도 3a은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양광을 이용한 식물공장 시스템에서 광필터부와 조명부를 광섬유로 연결하는 상태를 도시한 구성도이다.
도 3b는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양광을 이용한 식물공장 시스템에서 광필터부와 조명부를 직접적으로 연결하는 상태를 도시한 구성도이다.
도 3c는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양광을 이용한 식물공장 시스템에서 광필터부의 필터부재에서 투과되는 조명용 태양광에 대한 파장과 태양고아강도간의 상관관계를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양광을 이용한 식물공장 시스템에서 축열부 및 열교환부를 도시한 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 구조 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양광을 이용한 식물공장 시스템(100)은 도 1 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 복수개의 수평격벽(11)에 의해서 복수개의 재배실(R)을 분할구획하는 재배건물부(10)를 포함하여 식물재배에 필요한 조명과 열원을 제공할 수 있도록 집광부(110), 광필터부(120), 조명부(130), 축열부(140) 및 열교환부(150)를 포함할 수 있다.
상기 집광부(110)는 도 1과 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 재배건물부(10)의 상부 노천영역인 옥상에 제1집광부(110a)와 제2집광부(110b)를 갖추어 제1집광부에서는 조명용 및 발전용 태양광을 주간에 집광하는 한편 상기 제2집광부에서는 난방용 태양광을 주간에 집광하는 것이다.
이러한 제1,2집광부(110a,110b)는 태양광을 집광할 수 있도록 대략 원통형의 집광체(114)의 개방된 입구에 장착되는 집광렌즈(112)를 포함할 수 있다.
복수개의 집광체(114)는 대략 판상의 장착판(116)에 정열배치되도록 설치될 수 있으며, 상기 장착판(116)은 태양으로부터 전달되는 태양광 에너지를 보다 효율적으로 집광할 수 있도록 계절이나 주간에 따라 변경되는 태양의 위치에 맞추어 태양과 집광렌즈가 마주하도록 미도시된 모터부재의 동력에 의해서 상기 장착판의 위치를 변경할 수 있도록 구비되는 것이 바람직하다.
그리고 상기 모터부재의 구동은 태양의 위치를 추적하는 센서부재의 검지신호에 의해서 제어부에 의해 구동이 제어되며, 상기 집광부가 설치되는 장착판의 위치제어는 공지의 다양한 방식이 이용될 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 이하 생략하기로 한다.
여기서, 적어도 하나이상의 집광체로 이루어지는 제1집광부(110a)와 제2집광부(110b)는 하나의 장착판(116)에 동시에 장착되어 태양광을 집광하는 것으로 도시하고 설명하였지만 이에 한정되는 것은 아니며 서로 다른 장착판에 각각 장착되어 구비될 수있다.
상기 제1집광부(110a)에 구비되는 집광체(114)의 하부에는 상기 집광렌즈(112)를 통해 집광된 태양광을 상기 광필터부(120) 측으로 전달할 수 있도록 제1광섬유(118a)의 일단이 연결되고, 상기 제2집광부(110b)에 구비되는 다른 집광체(114)의 하부에는 태양광을 상기 축열부(140)측으로 전달할 수 있도록 제2광섬유(118b)의 일단이 연결될 수 있다.
이에 따라, 상기 집광부(110)의 제1,2집광부(110a,110b)를 통해 각각 집광된 태양광은 상기 제1,2광섬유(118a,118b)를 통하여 광필터부(120)와 축열부측으로 각각 전달되어 공급될 수 있다.
상기 광필터부(120)는 도 1 내지 도 3c에 도시한 바와 같이, 상기 제1집광부(110a)에서 집광된 태양광을 제1광섬유(118a)를 매개로 하여 전달받아 전송된 태양광의 일부는 상기 조명부(130)에서 조명용으로 사용할 수 있도록 조명용 태양광으로 투과시키고, 나머지 태양광은 발전용 사용할 수 있도록 발전용 태양광으로 반사시키는 광투과반사필터(121)를 포함할 수 있다.
이러한 광투과반사필터(121)는 일정크기의 내부공간을 갖는 대략 직육면체상의 하우징(122)의 내부에 일정각도로 경사진 상태로 고정설치된다.
상기 하우징(122)은 도 3a 와 도 3b 에 도시한 바와 같이, 상기 제1광섬유(118a)를 통하여 전달되는 태양광으로부터 분리된 특정파장대역의 조명용 태양광을 상기 조명부(130)측으로 광손실없이 전달할 수 있도록 광파이프(132)의 일단이 연결되거나 별도의 광섬유(138)를 매개로 하여 광파이프(132)의 일단과 연결될 수 있다.
또한, 상기 하우징(122)에는 상기 제1광섬유를 통하여 공급되는 태양광 중 상기 광투과반사필터(121)에 의해서 반사되는 발전용 태양광을 이용하여 전기를 발생시키도록 솔라셀(126)을 포함할 수 있다.
이러한 솔라셀(126)은 발전용 태양광에 의해서 발생되는 전기를 냉동기와 같은 전기구성품을 작동시키는 동력원으로 사용할 수 있도록 상기 하우징의 바닥면에 설치되는 것으로 도시하고 설명하였지만 이에 한정되는 것은 아니며 상기 하우징의 바닥면에 일단이 연결되는 다른 광섬유를 매개로 하여 전달되는 발전용 태양광을 공급받을 수 있도록 상기 하우징의 외부에 설치될 수 있다.
이때, 상기 제1광섬유(118a)의 출력단과 상기 광투과반사필터(121)사이에는 상기 제1광섬유(118a)를 통해 입사되는 태양광을 보다 효율적으로 집광하여 상기 광투과반사필터(121) 측으로 전달될 수 있도록 집광렌즈가 추가적으로 구비될 수 있다.
이에 따라, 상기 하우징의 내부에 일정각도로 경사지게 배치된 광투과반사필터(121)에 의해서 도 3c 에 도시한 바와 같이, 투과되는 특정파장 대역의 태양광인 조명용 태양광은 상기 조명부측으로 전달되는 반면에 광투과반사필터(121)에 의해서 반사되는 발전용 태양광은 솔라셀에 전달되면서 발전되어 전기에너지를 전환되는 것이다.
상기 조명부(130)는 도 3a 와 도 3b 에 도시한 바와 같이, 상기 광필터부(120)의 하우징과 일단이 직접적으로 연통연결되거나 별도의 광섬유(138)를 매개로 하여 연결되는 적어도 하나의 광파이프(132)를 상기 재배건물부에 구비되는 재배실(R)의 천정에 배치함으로써, 상기 광필터부로부터 조사전달되는 조명용 태양광에 의해서 식물재배가 이루어지는 재배실(R)의 실내공간을 자연광으로 조명하는 것이다.
상기 광파이프(132)는 개방된 양단을 밀폐하도록 내측면이 반사면으로 이루어지는 한쌍의 마감판(134)을 포함하고, 상기 한쌍의 마감판 중 어느 하나를 통하여 광파이프(132)의 내부로 출력단이 진입되는 광섬유(138)를 매개로 하여 조명용 태양광을 공급받을 수 있도록 상기 광필터부(120)의 하우징과 연결될 수 있다.
또한, 상기 광파이프(132)는 상기 광파이프(132)의 개방된 일단을 밀폐하는 마감판(134)을 포함하고, 상기 광파이프(132)의 개방된 타단은 조명용 태양광을 공급받을 수 있도록 상기 광필터부(120)의 하우징과 직접적으로 연통연결될 수 있다.
이때, 상기 마감판의 내부면에는 내부유입된 태앙광을 반사시킬 수 있도록 반사층을 포함할 수 있으며, 상기 광파이프(132)의 내부 입구단에는 상기 재배실에서 재배되는 식물에 적합한 특정 파장대역의 조명용 태양광만을 투과하여 조명용이나 식물생육용으로 조사할 수 있도록 적어도 하나의 광필터부재(136)를 선택적으로 포함할 수 있다.
그리고 상기 광파이프(132)의 외부면에는 상기 광필터부(120)로부터 공급되는 조명용 태양광을 상기 재배실(R)의 식물과 마주하는 하부로 집중 조사하여 비추는 조명창을 형성할 수 있도록 상기 재배실의 식물과 마주하는 영역에 관통부를 부분적으로 개구형성하고, 광파이프의 외부면을 덮어 광을 차단하는 광차단부재(132a)를 포함할 수 있다.
이에 따라, 상기 광필터부의 광투과반사필터를 투과하여 광파이프(132)의 내부로 전달되는 조명용 태양광은 상기 광파이프(132)의 내부에서 난반사된 다음 상기 광차단부재(132a)의 부분적인 관통부에 의해서 형성되는 조명창을 통하여 재배실의 내부를 비추는 조명용으로 제공됨 동시에 재배되는 식물에 광합성용 광원으로 제공될 수 있는 것이다.
상기 축열부(140)는 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 제2집광부(110b)로부터 연장되는 제2광섬유(118b)를 매개로 하여 연결되어 상기 제2집광부에서 집광된 태양광이 공급되는 축열실(141)을 포함하고, 상기 축열실(141)의 내부에는 상기 제2광섬유(118b)를 통하여 공급되는 축열용 태양광의 복사에너지에 의해서 열에너지를 발생시키도록 발열하는 흑체(143)를 포함할 수 있다.
그리고 상기 축열실(141)의 내부에는 상기 흑체(143)에 의해서 발생하는 열에너지를 흡수하여 상변화되는 상변화물질(144)을 갖추어 상기 상변화물질(144)에 의해서 열에너지를 축열하는 것이다.
상기 축열실(141)은 상기 상변화물질의 상변화에 기인하여 흡수되는 열에너지와 방출되는 열에너지의 손실을 방지할 수 있도록 단열재소재로 이루어지거나 내,외부면에 단열재를 포함할 수있다.
상기 축열실(141)은 상기 제2집광부(110b)로부터 연장되는 복수개의 제2광섬유(118b)를 몸체내부에 삽입하여 다발형태로 고정하는 일정길이의 수정체(142)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 수정체(142)의 상단은 상기 축열실(141)의 상부에 고정설치되며, 상기 수정체(142)의 하단은 상기 수정체에 다발형태로 배치되는 복수개의 제2광섬유(118b)의 출력단인 하단이 상기 축열실의 바닥면에 고정설치되는 흑체(143)와 일정간격을 두고 서로 마주하도록 구비되는 것이 바람직하다.
상기 흑체(143)와 마주하는 복수개의 제2광섬유(118b)의 출력단인 하단에는 상기 흑체에 축열용 태양광을 집중조사할 수 있도록 반구형 렌즈(148a)를 포함할 수 있다.
이에 따라, 상기 복수개의 제2광섬유(118b)의 출력단으로부터 조사되는 축열용 태양광이 상기 흑체(143)에 집중조사되면, 상기 축열용 태양광의 복사에너지가 흑체(143)에 흡수되고, 상기 흑체에 흡수된 복사에너지는 상기 축열실(141)에 채워진 상변화물질(144)의 상변이를 유발하도록 열에너지로 방출하게 된다.
이러한 경우, 고체상태의 상변화물질(144)은 흑체에서 방출되는 열에너지에 의해서 용융점인 녹는점에 도달하면서 고체에서 액체로 상변이되면서 용융엔탈피로 알려진 일정량의 열을 흡수하여 축열하게 된다.
즉, 상기 흑체(143)에서 방출되는 열에너지에 의해서 고체상에서 액체상으로 상변이되는 상변화물질(144)은 열에너지가 축열됨에도 불구하고 일정온도를 유지하게 되어 잠열상태가 되는 것이다.
반대로, 야간에 상기 제2집광부(110b)를 통한 축열부(140)로의 축열용 태양광 공급이 중단되어 상기 축열용 태양광에 의하여 흑체(143)에서 발생하게 되는 열에너지의 공급이 중단되면, 축열실내에서 액체상태의 상변화물질은 고체상태로 상변이되면서 상기 상변화물질(144)에 축열되어 저장되어 있던 잠열인 열에너지가 외부로 방출하게 된다.
또한, 상기 축열실(41)에는 제백효과에 의하여 흑체(143)에서 발생하는 열에너지를 전기에너지로 변환시키는 적어도 하나의 열전발전소자(143a)를 포함할 수 있으며, 상기 열전발전소자에서 발생되는 전기는 식물공장에 사용되는 다양한 형태의 전기전자제품의 전원으로 공급되어 사용되거나 별도의 축전지에 축전될 수 있다.
이때, 상기 열전발전소자(143a)는 온도차이가 크게 발생하도록 축열실의 바닥면에 하부면이 접하는 것으로 도시하고 설명하였지만 이에 한정되는 것은 아니며 상기 흑체에 몸체 외부면 전체가 감싸져 구비될 수 있다.
상기 열교환부(150)는 상기 축열부(140)의 축열실(141)내부에 배치되어 상기 상변화물질이 액체상에서 고체상으로의 변화시 방출하게 되는 열에너지를 흡수하도록 물과 같은 열매체가 순환되는 제1열교환기(151)를 포함할 수 있다.
상기 재배건물부(10)의 재배실(R)에는 상기 제1열교환기에서 열에너지를 흡수하는 열매체가 순환공급되는 제2열교환기(152)를 배치함으로써 상기 재배실에 배치되어 재배실의 내부공기와 열교환되면서 열에너지를 방출하는 제2열교환기(152)에 의해서 재배실의 내부를 식물재배에 적합한 온도를 유지하도록 난방하게 되는 것이다.
이때, 상기 제1열교환기(151)와 제2열교환기(152)는 물과 같은 열매체를 일방향으로 강제 순환시킬 수 있도록 펌프부재(154)를 갖는 연결순환라인(153)에 의해서 연결되고, 상기 제2열교환기(152)에는 상기 재배실에 난방용 온풍을 공급할 수 있도록 송풍기(155)를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 제1열교환기(151)와 제2열교환기(152)는 연결순환라인에 의해서 열매체를 일방향으로 순환시키는 일련의 파이프부재로 이루어질 수 있으며, 상기 제1,2열교환기(151,152)를 형성하는 파이프라인 외부면에는 열교환이 보다 원활하게 이루어질 수 있도록 핀부재를 돌출형성할 수 있다.
이에 따라, 태양광의 공급이 중단되는 야간에 상변화물질이 액체상에서 고체상으로 상변이됨과 동시에 상기 축열부(140)의 상변화물질에 축열된 열에너지가 방출되면, 상기 축열실(141)에 배치된 제1열교환기(151)를 통과하는 열매체는 상변화물질에서 방출되는 열에너지에 의해서 가열되어 승온되고, 가열된 고온의 열매체는 연결순환라인(153)을 통하여 상기 재배실에 배치된 제2열교환기(152)로 공급된다.
이때, 상기 제1열교환기(151)의 출구단으로부터 상기 제2열교환기(152)의 입구단사이를 연결하는 연결순환라인(153)은 고온의 열매체가 제2열교환기(152)에 도달하는 과정에서 열방출에 의한 열손실을 방지할 수 있도록 외부면이 단열재로 피복처리되는 것이 바람직하다.
그리고 상기 제2열교환기(152)로 공급된 고온의 열매체는 재배실의 내부공기를 승온시켜 난방할 수 있도록 열교환되면서 냉각되고, 냉각된 저온의 열매체는 상기 펌프부재의 펌핑력에 의해서 상기 축열실(141)의 제1열교환기에서 가열되어 고온의 열매체로 전환되도록 순환공급되는 것이다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
10 : 건물재배부
110 : 집광부
110a,110b : 제1,2집광부
112 : 집광렌즈
118a,118b : 제1,2광섬유
120 : 광필터부
121 : 광투과반사필터
130 : 조명부
132 : 광파이프
134 : 마감판
140 : 축열부
141 : 축열실
142 : 수정체
143 : 흑체
144 : 상변화물질
150 : 열교환부
151 : 제1열교환기
152 : 제2교환기
153 : 연결순환라인
155 : 펌프부재
155 : 송풍기

Claims (9)

  1. 복수개의 수평격벽에 의해서 복수개의 재배실을 분할구획하는 재배건물부를 포함하여 식물재배가 이루어지는 식물공장 시스템에 있어서,
    상기 재배건물부의 상부 노천영역에 구비되는 제1집광부와 제2집광부를 갖추어 태양광을 집광하는 집광부 ;
    상기 제1집광부에서 집광된 태양광을 제1광섬유를 매개로 전달받아 전송된 태양광의 일부는 조명용 태양광으로 투과시키고, 나머지 태양광은 발전용 태양광으로 반사시키는 적어도 하나의 광투과반사필터를 갖추어 태양광을 조명용 태양광과 발전용 태양광으로 분리하는 광필터부;
    상기 광필터부와 연결되는 광파이프를 상기 재배실에 배치하여 상기 광투과반사필터에 의해서 투과되어 상기 광파이프 내부로 공급되는 조명용 태양광에 의해서 상기 재배실의 실내공간을 조명하는 조명부 ;
    상기 제2집광부에서 집광된 태양광을 제2광섬유를 매개로 전달받는 축열실을 갖추고, 상기 축열실의 내부에 상기 제2광섬유를 통하여 전달되는 태양광의 복사에너지에 의해서 발열하는 흑체를 갖추고, 상기 흑체에 의해서 상변화되는 상변화물질을 축열실의 내부에 갖추어 열에너지를 축열하는 축열부 ; 및
    상기 축열실의 내부에 배치되어 축열된 열에너지를 흡수하는 제1열교환기를 갖추고, 상기 재배실에 배치되어 열에너지를 방출하는 제2열교환기를 갖추어 상기 재배실을 난방하는 열교환부 ; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광을 이용한 식물공장 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 조명부는 상기 광파이프의 개방된 양단을 밀폐하는 한쌍의 마감판을 포함하고, 상기 한쌍의 마감판 중 어느 하나를 통하여 광파이프의 내부로 출력단이 진입되는 광섬유를 매개로 조명용 태양광을 전달받을 수 있도록 상기 광필터부의 하우징과 연결되는 것을 특징으로 하는 태양광을 이용한 식물공장 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 조명부는 상기 광파이프의 개방된 일단을 밀폐하는 마감판을 포함하고, 상기 광파이프의 개방된 타단이 조명용 태양광을 공급받을 수 있도록 광필터부의 하우징과 연결되는 것을 특징으로 하는 태양광을 이용한 식물공장 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광파이프의 입구단에는 상기 재배실에서 재배되는 식물에 적합한 특정파장대역의 조명용 태양광만을 투과하는 적어도 하나의 광필터부재를 포함하는 것을 것을 특징으로 하는 태양광을 이용한 식물공장 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 조명부는 상기 재배실의 식물과 마주하는 외부면에 조명창을 형성할 수 있도록 관통부를 개구형성하고, 상기 광파이프의 외부면을 덮어 광을 차단하는 광차단부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광을 이용한 식물공장 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 축열실은 상기 제2집광부로부터 연장되는 복수개의 제2광섬유를 몸체내부에 삽입하여 다발형태로 고정하는 일정길이의 수정체를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광을 이용한 식물공장 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 수정체의 하단은 상기 제2광섬유의 출력단이 상기 축열실의 바닥면에 고정설치되는 흑체와 서로 마주하도록 구비되고, 상기 제2광섬유의 출력단에는 상기 흑체에 축열용 태양광을 집중조사할 수 있도록 반구형 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광을 이용한 식물공장 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 축열실에는 상기 흑체에서 발생하는 열에너지를 전기에너지를 변환시키는 적어도 하나의 열전발전소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광을 이용한 식물공장 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 열교환부는 상기 제1열교환기와 제2열교환기는 열매체를 일방향으로 순환시킬 수 있도록 펌프부재를 갖는 연결순환라인에 의해서 연통연결되고, 상기 제2열교환기에는 상기 재배실에 난방용 온풍을 공급할 수 있도록 송풍기를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광을 이용한 식물공장 시스템.
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