KR102420422B1 - 온실용 이산화탄소 시비장치 및 이를 이용한 시비 방법 - Google Patents

온실용 이산화탄소 시비장치 및 이를 이용한 시비 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다공성 매체를 사용하는 온실 이산화탄소 시비장치에 관한 것으로, 상기 온실 내부의 이산화탄소 농도 및/또는 일조량을 검출하는 검출모듈; 대기 중의 이산화탄소를 흡착(adsorption) 및 탈착(desorption)하는 다공성 매체가 포함된 반응챔버; 상기 반응챔버 내부의 온도 및/또는 압력을 제어하는 조절수단; 온실 외부의 공기를 상기 반응챔버로 도입하는 흡기관; 상기 반응챔버 내부의 공기를 반응챔버의 외부로 이송하는 이송관; 이송관을 통해 이송되는 공기를 온실 밖으로 배기시키는 배기관; 이송관을 통해 이송되는 공기를 온실 내부로 공급하는 공급관; 상기 이송관이, 상기 배기관 또는 상기 공급관과 선택적으로 연통되도록 조절하는 제어밸브; 및 제어밸브의 선택적 연통과 상기 조절수단의 구동을 제어하는 제어부;를 포함한다.

Description

온실용 이산화탄소 시비장치 및 이를 이용한 시비 방법{A CO2 SUPPLY APPARATUS FOR GREENHOUSE AND A CO2 SUPPLY METHOD THEREWITH}
본 발명은 온실내의 이산화탄소 농도를 조절하여 작물의 생장을 촉진하기 위한 시비장치 및 이를 이용한 시비 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다공성 매체을 이용해 대기 중의 이산화탄소를 흡착한 후, 흡착된 이산화탄소를 탈착시켜 온실 내부에 공급함으로써 온실내부의 이산화탄소 농도를 인위적으로 증가시키고, 작물의 광합성을 촉진시켜 작물의 재배 효율을 높일 수 있는 시비 방법에 관한 것이다.
본 발명은 아래와 같이 2020년 전라남도와 전남테크노파크의 지역수요맞춤형 연구개발사업의 지원을 받아 수행된 연구 결과물이다.
부처명 : 전라남도
과제관리(전문)기관명 : (재)전남테크노파크
연구사업명 : 지역수요맞춤형연구개발사업 [역량강화 연구개발 지원사업]
연구과제명 : 담액 수경재배 적용을 위한 전기장 제어방식의 수질 및 양액 자동제어 시스템 개발.
기여율 : 주관기간:(주)에스앤엠 70%, 참여기관 순천대학교 산학협력단 30%
과제수행기관명 :(주)에스앤엠, 순천대학교 산학협력단.
연구기간 : 2020.12.1.~2021.11.31.
이산화탄소는 식물의 광합성반응에 필수적인 요소로써, 근래에는 작물의 생육을 촉진하기 위하여 재배 시 공기 중의 이산화탄소 농도를 인위적으로 증가시키는 다양한 이산화탄소 시비장치가 제공되고 있다. 일반적으로 대기 중 이산화탄소의 농도는 350ppm 내지 400ppm 정도로 유지되고 있으나, 하우스와 같이 환기가 원활하게 이루어지기 힘든 공간에서 이루어지는 시설원예 재배에 있어서는, 이산화탄소 부족으로 인하여 광합성이 제한되기 쉬우므로 이산화탄소 시비가 필수적이다.
또한, 이산화탄소의 경우 공기에 비해 무거워 아래쪽인 지표면 쪽으로 이동하는 경향이 있으며, 특히 잎이 무성한 여름철의 지표면 위의 대기 중에는 이산화탄소의 농도가 상대적으로 낮아지고, 지표면은 유기물의 왕성한 활동으로 인해 이산화탄소의 농도가 높아지는 등의 시설 내 이산화탄소 농도의 불균일 현상이 발생할 수 있다.
이러한 문제점들을 해결하기 위한 종래 기술로, 대한민국 등록특허 제10-1063372호에는 연소식으로 이산화탄소를 시비할 수 있는 온실 이산화탄소 시비용 열병합발전 시스템을 제시하고 있으며, 대한민국 공개특허 제10-2017-0053230호는 액화된 이산화탄소를 분사하는 방식으로 이산화탄소를 시비하는 이산화탄소 공급장치 및 그 제어방법을 제시하고 있다.
상기에서 기술한 바와 같이, 종래의 이산화탄소 시비장치는 일반적으로 연료가 충진된 저장소를 별도로 구비하여 연소식으로 이산화탄소를 시비하거나, 또는 액화된 상태의 이산화탄소가 저장되는 탱크를 별도로 구비하여 이산화탄소 시비를 수행하는 방식을 사용하고 있다.
그러나 이러한 종래의 연소식 이산화탄소 시비 방법에 따르면 연료의 연소과정에서 발생하는 배가스에 유해물질이 포함되어 안전사고를 유발할 수 있으며, 작물의 생장에 문제를 일으킬 수 있다는 문제가 있다.
또한, 기존의 이산화탄소 시비장치와 같이 별도의 저장소를 구비하는 경우에는 정기적으로 저장소 내부에 저장된 액화이산화탄소 또는 연료를 보충해주어야 함에 따라 유지 비용소모가 큰 단점이 존재한다.
대한민국 등록특허 제10-1063372호 대한민국 공개특허 제10-2017-0053230호
본 발명은 별도의 이산화탄소 저장소를 구비하지 않고, 다공성 매체을 이용해 대기 중의 이산화탄소를 흡탈착하여 유지비용을 절감할 수 있으며, 종래의 연소식 이산화탄소 시비방법과 달리 유해가스로 인한 안전사고를 원천적으로 방지할 수 있는 이산화탄소 시비장치 및 시비방법을 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명은, 작물의 광합성 및 증산작용이 활발히 이루어지는 시간 동안 사전에 미리 다공성 매체에 흡착시켜둔 이산화탄소를 탈착시켜 온실에 공급함으로써, 시비 효율과 작물의 광합성 효율을 증대시킬 수 있다.
즉 온실과 같은 밀폐된 시설에서 작물을 재배할 경우 낮 동안에는 광합성 작용에 의하여 실내 이산화탄소 농도가 대기 중의 농도보다 낮아지기 때문에 작물의 광합성 효율이 감소하는 문제점을 효과적으로 해결할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 형태에 따른 다공성 매체를 사용하는 온실 이산화탄소 시비장치는, 상기 온실 내부의 이산화탄소 농도 및/또는 일조량을 검출하는 검출모듈; 대기 중의 이산화탄소를 흡착(adsorption) 및 탈착(desorption)하는 다공성 매체가 포함된 반응챔버; 상기 반응챔버 내부의 온도 및/또는 압력을 제어하는 조절수단; 온실 외부의 공기를 상기 반응챔버로 도입하는 흡기관; 상기 반응챔버 내부의 공기를 반응챔버의 외부로 이송하는 이송관; 이송관을 통해 이송되는 공기를 온실 밖으로 배기시키는 배기관; 이송관을 통해 이송되는 공기를 온실 내부로 공급하는 공급관; 상기 이송관이, 상기 배기관 또는 상기 공급관과 선택적으로 연통되도록 조절하는 제어밸브; 및 제어밸브의 선택적 연통과 상기 조절수단의 구동을 제어하는 제어부;를 포함한다.
상기 제어부는, 이송관과 배기관을 연통시켜 상기 다공성 매체에 이산화탄소를 흡착시키는 흡착 과정과, 이송관과 공급관을 연통시키고, 반응챔버의 압력 또는 온도를 제어하여 다공성 매체로부터 이산화탄소를 탈착시키는 탈착 과정을 수행함으로써, 온실 내부의 이산화탄소 농도를 높일 수 있다.
상기 탈착 과정에서 상기 제어부는, 반응챔버 내부의 온도를 시간에 따라 점진적(stepwise) 증가시키는 것이 바람직하고, 상기 탈착 과정에서 반응챔버로 공급되는 공기 유량(V2)은, 흡착 과정에서 반응챔버로 공급되는 공기 유량(V1)의 0.01 내지 0.2 배인 것이 바람직하다.
상기 탈착 과정에서 반응챔버의 온도를 하기 식 (1)과 같이 변화시킬 수 있다.
T = T0 - {T0×e(A2×t^A3)+A4)} 식(1)
(여기서 T0는 최종 탈착 온도이고, A2는 -0.029이고, A3는 0.805이며, A4는 -1.383임)
탈착 과정을 통해 온실 내부의 이산화탄소의 농도를, 500 내지 1,100 ppm의 범위로 증가시킬 수 있다.
상기 반응챔버에 포함되는 다공성 매체는, 평균 지름이 약 1.5mm인 금속유기구조체(MOF,Metal-organic Framework), 실리카겔, 제올라이트(Zeolite), 활성탄소, 금속산화물, 활성알루미나, 활성탄 중 하나이고, 기공도(porosity)가 약 0.5 내지 0.6인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시 형태는 온실에 이산화탄소를 시비하는 방법을 들 수 있으며, (a) 반응챔버로 대기 중의 공기를 공급하여, 반응챔버 내부의 다공성 매체에 이산화탄소를 흡착시키는 단계; 및 (b) 반응챔버의 온도 또는 압력을 제어하여, 다공성 매체에 흡착된 이산화탄소를 탈착시켜 온실 내부로 공급하는 단계;를 포함한다.
이산화탄소의 탈착 과정에서, 반응챔버 내부의 온도를 시간에 따라 점진적(stepwise) 상승시키는 것이 바람직하고, 상기 탈착 과정에서 반응챔버로 공급되는 공기 유량(V2)은 흡착 과정에서 반응챔버로 공급되는 공기 유량(V1)의 약 0.01 ~ 0.2 배인 것이 바람직하며, 온실 내부의 이산화탄소의 농도를, 소정 시간 동안 500 내지 1,100 ppm의 범위로 증가시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 온실 이산화탄소 시비장치와 방법은, 작물의 광합성 및 증산작용이 활발히 이루어질 수 있도록 온실 내의 이산화탄소 농도를 증가시킬 수 있다. 좀 더 구체적으로, 다공성 매체을 사용하여 대기 중의 이산화탄소를 흡착한 후, 원하는 시기에 흡착된 이산화탄소를 탈착시켜 온실 내부로 공급함으로써, 별도의 이산화탄소 저장소 없이 유지비용을 절감할 수 있는 이산화탄소 시비장치와 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 다공성 매체을 이용한 온실용 이산화탄소 시비장치를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 이산화탄소 시비장치가 이산화탄소 흡착과정을 수행하는 과정을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 이산화탄소 시비장치가 이산화탄소 탈착과정을 수행하는 과정을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 적용된 다공성 매체의 온도별 이산화탄소 흡착량의 변화를 측정한 결과이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 적용된 다공성 매체의 이산화탄소 탈착과정에 적용된 온도 변화 프로파일을 나타낸 것이다.
도 6과 도 7은 일 실시예에 따른 다공성 매체을 이용한 이산화탄소 시비장치의 온도 및 유량변화에 따른 이산화탄소의 탈착량 변화를 측정한 결과이다.
도 8은 본 발명의 이산화탄소 시비장치를 이용한 시비방법을 도시한 순서도이다.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 이 과정에서 도면에 제시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되도록 도시될 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.
아울러, 아래의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로서 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시예는 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 다공성 매체을 이용한 온실용 이산화탄소 시비장치를 개략적으로 도시한 것으로, 온실(1) 내부의 이산화탄소 농도 및/또는 일조량을 검출하는 검출모듈(1a); 대기 중의 이산화탄소를 흡착(adsorption) 및 탈착(desorption)하는 다공성 매체(101)가 포함된 반응챔버(100); 상기 반응챔버(100) 내부의 온도 및/또는 압력을 제어하는 조절수단(200); 온실 외부의 공기를 반응챔버(100)의 내부로 도입하는 흡기관(10); 상기 반응챔버(100) 내부의 공기를 반응챔버(100)의 외부로 이송하는 이송관(20); 상기 이송관(20)을 통해 이송되는 공기를 온실 밖으로 배기시키는 배기관(21); 이송관(20)을 통해 이송되는 공기를 온실(1) 내부로 공급하는 공급관(22); 상기 이송관(20)이, 상기 배기관(21) 또는 상기 공급관(22)과 선택적으로 연통되도록 조절하는 제어밸브(50); 및 제어밸브(50)의 선택적 연통과 상기 조절수단(200)의 구동을 제어하는 제어부(300);를 포함한다.
상기 제어부(300)는, 이송관(20)과 배기관(21)을 연통시켜 상기 다공성 매체(101)에 이산화탄소를 흡착시키는 흡착 과정과, 이송관(20)과 공급관(22)을 연통시키고, 반응챔버(100)의 압력 또는 온도를 제어하여 다공성 매체(101)로부터 이산화탄소를 탈착시키는 탈착 과정을 수행함으로써, 원하는 시간 동안 온실(1) 내부의 이산화탄소 농도를, 대기 중의 이산화탄소 농도에 비해 높은 농도 범위, 바람직하게는 500~1,100ppm으로 높게 유지할 수 있다.
이러한 본 발명의 일 실시 형태에 따른 이산화탄소 시비장치는, 대기 중의 공기를 흡기관(10)을 반응챔버(100)로 공급하여, 반응챔버(100)에 채워진 다공성 매체(101)의 미세기공에 공기 중의 이산화탄소를 흡착시키는 흡착과정을 수행할 수 있다.
이렇게 반응챔버(100) 내에 저장된 이산화탄소는, 조절수단(200)을 통해 반응챔버(100) 내부의 온도, 압력 또는 온도와 압력이 조절됨으로써, 흡착된 다공성 매체(101)로부터 탈착되어(즉, 탈착과정을 거쳐), 이송관(20)과 공급관(22)을 통해 온실(1) 내로 공급할 수 있다.
이러한 이산화탄소의 흡착과정과 탈착과정이 반복되는 이산화탄소의 시비 과정은 반영구적으로 반복 사용될 수 있다.
기존의 공지된 다른 종래의 이산화탄소 시비장치와 달리, 본 발명에 따른 이산화탄소 시비장치는, 이산화탄소 또는 이산화탄소를 생성하기 위한 연료가 저장되는 별도의 저장소가 구비될 필요가 없으며, 단지 이산화탄소가 흡착과 탈착이 수행될 수 있는, 다공성 매체(101)들로 채워진 반응챔버(100)만이 구비된다.
따라서 본 발명에 따른 이산화탄소 시비장치는, 기존의 시비장치와 달리 저장소 내에 저장된 이산화탄소 또는 연료의 잔량을 확인할 필요가 없으며, 저장소 내부에 저장된 물질을 정기적으로 재충진하여야 하는 불편함을 해소할 수 있고, 유지비를 절감할 수 있다.
상기 반응챔버(100)에서 이산화탄소의 탈착 과정이 수행되도록 조절수단(200)을 통해 반응챔버(100)의 온도를 높이거나, 압력과 온도를 동시에 높여 다공성 매체(101)에 흡착된 이산화탄소를 탈착시킬 수 있으며, 상기 조절수단(200)은 히팅코일 등과 같은 가열장치이거나, 가열장치와 펌프와 같은 가압장치를 동시에 포함할 수 있다.
도 2에는 본 발명의 이산화탄소 시비장치에서 이산화탄소의 흡착과정이 수행되는 과정이 도식적으로 제시되어 있다. 상기 도 2를 참조하면, 제어부(300)를 통해 제어밸브(50)를 작동을 제어하고, 이송관(20)과 배기관(21)이 연통되도록 함으로써, 흡기관(10)을 거쳐 반응챔버(100)로 도입된 공기가 반응챔버(100) 내부에 채워진 다공성 매체(101)와 접촉하면서 지나게 되고, 이러한 과정 중에서 공기 중의 이산화탄소가 다공성 매체(101)의 표면과 미세 기공에 흡착되는 흡착과정이 수행된다.
즉, 흡기관(10)을 거쳐 공급되는 대기 중의 공기에 포함된 이산화탄소의 일부는 반응챔버(!00)의 내부에 충진된 다공성 매체(101)의 표면 혹은 미세 기공에 흡착되고, 다공성 매체(101)에 흡착되지 않은 이산화탄소를 포함하는 공기는 상기 이송관(20)과 배기관(21)을 거쳐 반응챔버(100)의 외부로 배출된다.
상기 반응챔버(100) 내부에는 다공성 매체(101)가 빽빽하게 채워질 수 있는데, 상기 다공성 매체(101)가 채워진 반응챔버(100)의 공극률(void fraction)은 약 0.4~0.6의 범위인 것이 바람직하고, 상기 다공성 매체(101)는 평균 지름이 약 1.0 내지 2.0 mm인 것이 바람직하며, 금속유기구조체(MOF,Metal-organic Framework), 실리카겔, 제올라이트(Zeolite), 활성탄소, 금속산화물, 활성알루미나 및 활성탄으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상일 수 있다. 또한, 다공성 매체의 기공도(porosity)는 약 0.5 내지 0.6인 것이 바람직하다.
다공성 매체(101)의 표면과 미세기공에 이산화탄소가 흡착됨으로써, 반응챔버(100) 내에 이산화탄소가 임시 저장되고, 다공성 매체(101)에 이산화탄소가 더 이상 흡착되지 않을 때까지 - 즉, 다공성 매체(101)의 표면 흡착이 포화될 때까지 - 흡기관(10)을 통해 외부의 공기를 반응챔버(100)로 유입시키는 것이 바람직하다.
상기 다공성 매체(101)의 흡착과정은, 작물의 광합성 및 증산작용이 활발히 이루어지지 않는 시간대에 수행되는 것이 바람직한데, 예를 들어 야간 시간대에 다공성 매체(101)의 흡착과정이 수행될 수 있다. 또한 이러한 이산화탄소의 흡착과정은 상온에서 수행되는 것이 바람직하다.
또한 일 실시예에 따르면, 상기 반응챔버(100)는 도 2에 제시된 바와 같이, 반응챔버(100)의 내부에서 유입된 공기의 이동 방향을 가이드할 수 있는 가이드 판을 포함하는 내부유로(102)가 형성될 수 있다. 이러한 가이드 판이 포함된 내부유로(102)가 반응챔버(100)의 내부에 형성됨으로써, 다공성 매체(101)과 유입된 공기의 접촉 시간과 접촉 가능성을 증가시킬 수 있고, 유입된 공기의 반응챕버(100) 내 체류 시간을 증가시킬 수 있다.
도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 시비장치에서 이산화탄소 탈착과정과 이산화탄소 시비 과정이 도식적으로 제시되어 있다.
상기 도 3을 참조하면, 제어부(300)는 조절수단(200)을 통해 다공성 매체(101)로부터 이산화탄소의 탈착 과정을 수행하고, 동시에 이송관(20)과 공급관(22)이 연통되도록 제어밸브(50)를 제어한다. 조절수단(200)을 구동하여 다공성 매체(101)로부터 탈착된 이산화탄소는 이송관(20)과 공급관(22)을 통해 온실(1) 내부로 공급되어, 온실(1) 내부의 이산화탄소 농도를 증가시키게 되고, 이에 따라 온실 내부의 CO2 농도를 500~1,000 ppm으로, 온실(1) 밖의 대기 중에 포함되는 이산화탄소 농도에 비해 상대적으로 높게 유지시킬 수 있다.
예를 들어, 일출 후에 온실 내부로 입사되는 태양의 광량이 증가하므로, 일출 후 약 2~3 시간동안 작물의 광합성 및 증산작용이 활발히 이루어지게 된다. 따라서 일출 전인 전날 혹은 심야 시간에 공기 중의 이산화탄소를 반응챔버(100) 내의 다공성 매체(101)에 저장하는 흡착 과정을 수행한 후, 일출 후 약 2~3시간 동안 다공성 매체에 흡착되어 반응챔버 내에 일시 저장되어 있던 이산화탄소의 탈착과정을 수행하여 온실 내부의 이산화탄소 농도를 일정 시간 동안 온실 밖 대기에 비해 높게 유지하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 이산화탄소 시비장치는 이러한 특정 시간 외에도, 원하는 시간 동안 온실 내부의 이산화탄소 농도를 상대적으로 높게 유지할 수 있으며, 이산화탄소의 시비가 진행되지 않는 시간에는 대기 중의 이산화탄소를 사용하여 반응챔버(100) 내의 다공성 매체(101)에 이산화탄소를 흡착시켜, 이산화탄소를 임시 저장할 수 있다.
또한, 탈착 과정을 통해 온실 내부의 이산화탄소의 농도는 소정 시간 동안 약 500 ~ 1,100 ppm의 범위로 유지되도록 하는 것이 바람직한데, 다공성 매체에 흡착된 이산화탄소를 사용하여 효율적인 시비가 이루어지기 위해서는, 온실 내부에서 재배되는 작물의 특성 및 생장상태에 따라 600 ~ 1,000ppm의 이산화탄소 농도를 유지할 수 있다.
도 3에 제시되어 있듯이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 이산화탄소 시비장치는, 흡기관(10)에 설치되어 반응챔버 내부로 유입되는 공기의 유량(V1)을 조절하는 제1밸브(10a), 흡기관(10)에 설치되어 반응챔버(100) 내부로 도입되는 공기의 공기 유량(V1)을 측정하는 제1검출부(10b), 및 이송관(20)에 설치되어 이송되는 이산화탄소의 농도를 검출하는 제2검출부(20b)를 구비할 수 있다. 또한 제어밸브(50)가 더 구비될 수 있는데, 상기 제어밸브(50)는 반응챔버(100)에서 배출되는 공기가 이송관(20)을 거쳐, 배기관(21) 또는 공급관(22)으로 공기의 흐름 방향을 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 공기의 유량을 조절하는 것이 바람직하며, 제1 및 제2 검출부(10b, 20b)는 이산화탄소 검출센서를 포함할 수 있다.
상기 제어부(300)는, 상기 반응챔버(100) 내부의 온도가 최종 탈착 온도(T0)에 도달한 상태에서, 상기 제2검출부(20b)를 통해 검출되는 이산화탄소의 농도가 시간의 흐름에 따라 감소하여 기준치(예를 들어 대기 중의 평균 이산화탄소 농도)에 이를 경우, 상기 반응챔버(100) 내부의 다공성 매체(101)에 흡착되어 있던 이산화탄소가 모두 소진되어 이산화탄소의 탈착과정이 종료된 것으로 판단하고, 조절수단(200)의 구동을 정지하고, 탈착과정을 종료하는 것이 바람직하다.
일 실시예에 따르면, 상기 제어부(300)는 상기 검출모듈(1a)로부터 획득된 온실(1) 내부의 이산화탄소 농도에 따라 조절수단(200)의 구동을 제어할 수 있다. 이를 구체적으로 설명하면, 상기 제어부(300)는 검출모듈(1a)로부터 획득한 온실 내부의 이산화탄소 농도가 기 설정 농도 이상으로 증가한 경우(예를 들어 1,100ppm을 초과할 경우), 조절수단(200)의 구동(예를 들어 온도 혹은 압력을 증가)을 중지하여 이산화탄소 공급을 일시 중단함으로써, 적정량의 이산화탄소가 온실 내부로 공급되도록 함으로써, 온실에 이산화탄소를 시비하는 시간을 좀 더 장기간 지속시키는 것도 가능하다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 검출모듈(1a)을 통해 온실 내부의 일조량 정보를 획득할 수 있으며, 일조량에 따라 온실 내부의 이산화탄소 농도를 조절하는 것도 가능하다. 온실 내부의 온도가 높거나, 일조량이 많을수록, 온실 내 작물 잎의 기공이 크게 열려 식물의 증산작용과 광합성이 더욱 활발히 일어나게 되므로, 이산화탄소 부족으로 인하여 작물의 광합성이 제한되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 온실 내부의 일조량이 기준값 이상일 경우 온실 내부의 이산화탄소 농도를 증가시키되, 일조량이 기준값 이하일 경우에는 온실 내부의 이산화탄소 농도를 유지하거나 감소시킴으로써, 온실 내부의 이산화탄소 시비 과정을 자동화하여 운전하는 것도 가능하다.
이하에서는 본 발명에 따른 다공성 매체를 사용하는 온실 이산화탄소 시비장치를 사용한 구체적인 실시예를 통해, 온실 내 작물의 이산화탄소 시비장치의 운전 방법을 상세하게 설명하고자 한다. 다만, 본 발명의 보호 범위는 이러한 실시예에 한정되는 것은 아님을 밝혀둔다.
도 4는 본 발명의 일 실시예 다공성 매체을 이용한 이산화탄소 시비장치에 있어서, 평균 반지름이 1.5mm인 활성탄에 대하여 다양한 온도에서 이산화탄소 흡착량의 변화를 도시한 것이다(L1은 25℃, L2는 50℃, L3는 75℃, L4는 100℃이다).
상기 도 4의 결과에서 확인되듯이, 온도가 증가할수록 일정한 이산화탄소 농도(혹은 분압)에서 이산화탄소의 흡착량은 급격하게 변화하는 것을 알 수 있다. 이러한 온도에 따른 급격한 흡착량 변화를 통해, 활성탄을 다공성 매체로 사용하여 온도 변화를 통해 이산화탄소의 흡착과 탈착을 효과적으로 제어할 수 있음을 알 수 있다.
또한, 이산화탄소의 흡착량 변화는 온도 변화뿐만 아니라, 압력의 변화를 통해서도 유도될 수 있는데, 고온(L3 혹은 L4)에서의 압력 변화에 비해 저온(L1)에서 압력 변화에 따른 흡착량 변화가 급격하므로, 압력을 통한 이산화탄소의 흡착 및 탈착 제어는 저온에서 수행하는 것이 바람직하다.
이하에서는, 이산화탄소가 포화 흡착된 반응챔버(100)에서 이산화탄소를 탈착시키기 위해, 온도 변화를 채택하였으며, 조절수단(200)으로 반응챔버(100) 내의 온도를 변화시킬 수 있도록 가열 수단을 사용하였다. 이러한 가열 수단은 정밀하게 프로그램된 프로파일에 따라 가열 온도를 제어할 수 있으며, 이를 통해 반응챔버 내에서 이산화탄소의 탈착 거동을 미세하게 제어하는 것이 바람직하다.
탈착 과정이 수행되는 과정에서, 조절수단(200)으로 가열수단이 사용될 경우, 바람직한 온도 변화 프로파일을 결정하기 위해, 도 5에 제시된 것과 같이 각각 다른 온도 변화 프로파일을 갖도록 탈착온도 프로파일을 설정하였다. La-1 내지 La-3는 최종 탈착 온도를 100℃(=373K)로 설정하고, 급격한 승온 속도(La-1), 중간 수준의 승온 속도(La-2) 및 완만한 승온 속도(La-3) 프로파일을 설정하였으며, 제어부(300)에서 제어되는 조절수단(200)의 온도 변화 프로파일은 하기 식 (1)로 표현될 수 있다. 또한, 최종 탈착 온도를 70℃(=343K)로 설정하고, 급격하게 온도를 증가시키는 경우와 완만하게 온도를 증가시키는 온도 프로파일을 각각 La-4와 La-5로 나타내었다.
T = T0 - {T0 × e(A2×t^A3)+A4)} 식(1)
(여기서 T0는 최종 탈착 온도이고, t는 시간이며, A2 내지 A4는 하기 표 1에 제시된 상수이다)
[표 1]
Figure 112021133258380-pat00001
상기 도 5에서 확인되듯이, La-1 프로파일의 경우에는 약 42분 이내에 최종 탈착 온도인 100°C까지 신속하게 온도를 상승시키는 것이고, La-2 프로파일은 228분 이내에 최종 탈착 온도까지 중간 수준으로 온도를 상승시킨 것이며, La-3 프로파일은 360분 이내에 최종 탈착 온도까지 점진적(stepwise)으로 천천히 온도를 상승시킨 것이다. 또한, La-4 프로파일은 360분 이내에 최종 탈착 온도인 70°C까지 신속하게 온도를 상승시킨 것이고, La-5 프로파일은 180분 이내에 최종 탈착 온도인 70°C까지 천천히 점진적으로 온도를 상승시키는 온도 프로파일이다.
이러한 온도 프로파일을 통해 본 발명에 따른 시비장치의 이산화탄소 탈착 과정을 수행한 결과를 도 6과 도 7에 각각 도시하였다. 이때 사용된 시비장치의 반응챔버의 사양은 표 2와 같으며, 다공성 매체로는 앞서 살펴본 도 4에서 이산화탄소의 흡착량 변화를 관찰하였던 활성탄과 동일한 것을 사용하였다.
[표 2]
Figure 112021133258380-pat00002
먼저 도 6은, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 시비장치에 대해서 반응챔버의 최종 탈착 온도를 100℃로 설정한 후, 도 5에 제시된 La-1, La-2 및 La-3의 탈착 온도 프로파일을 사용하여 이산화탄소를 탈착시킬 경우의 검출모듈(1a)에서 측정된 온실(1) 내 이산화탄소의 농도 변화를 측정한 결과이다.
도 6 및 도 7의 측정 결과는 모두 상압에서 수행되었으며, 최종 탈착 온도, 탈착 온도 프로파일 및 탈착 과정 수행 시 이송 가스의 역할을 수행하는 공기 유량(V2)에 따른 온실 내 이산화탄소의 농도 변화를 측정한 결과이다.
도 6에 제시된 제1시험데이터(Lb-1)는, 25°C의 상온 및 상압에서 이산화탄소 탈착에 따른 이산화탄소 농도의 변화를 관찰한 결과이다.
제4시험데이터(Lb-4) 내지 제6시험데이터(Lb-6)는, 반응챔버로 공급되는 이송 가스인 공기 유량(V2)을, 흡착 과정에서의 공기 유량(V1)의 1/10 즉, 0.1배가 되도록 유지하면서, 각각 La-1 내지 La-3의 온도 프로파일을 적용하여(도 5 및 식(1), 표 1 참조) 100°C까지 가열함으로써, 이산화탄소의 탈착에 따른 이산화탄소 농도 변화를 관찰한 결과이다.
도 6의 결과에서 확인되듯이, 최종 탈착 온도인 100°C 까지 가장 급격하게 온도를 증가시키는 La-1의 온도 프로파일이 적용된 제4시험데이터(Lb-4)의 경우, 가장 신속하게 이산화탄소의 농도가 증가하지만, 이산화탄소의 농도가 장기간 높게 유지되지 못하고 가장 먼저 대기 중의 이산화탄소 농도 수준으로 감소하는 것을 알 수 있다. 반면 비교적 완만하고 느리게 최종 탈착 온도까지 온도를 상승시키는 La-2 및 La-3 온도 프로파일이 적용된 제5시험데이터(Lb-5) 및 제6시험데이터(Lb-6)의 경우에는 이산화탄소의 최대 농도가 제4시험데이터(Lb-4)에 비해 감소하지만, 더 오랜 시간동안 이산화탄소의 농도가 높게 유지되는 것을 확인할 수 있다. 이는 온실 내의 작물이 보다 오랜 시간 동안 상대적으로 높은 이산화탄소의 농도에 노출되는 것이 바람직한 이산화탄소 시비 시스템에 더욱 적합한 것임을 의미한다.
따라서 최종 탈착 온도까지 가급적 천천히 완만하게 온도를 증가시킴으로써, 다공성 매체로부터 탈착되어 온실 내로 공급되는 이산화탄소의 농도를 보다 오랜 시간동안 높게 유지시킬 수 있음을 알 수 있으며, La-3의 온도 프로파일로 탈착 과정을 수행하는 것이 바람직함을 확인할 수 있었다.
제7시험데이터(Lb-7)은, 상기 제6시험데이터(Lb-6)와 동일한 탈착 온도와 승온 프로파일을 적용하되, 탈착 과정 수행 시 이송가스로 공급되는 공기의 유량(V2)을 V1의 0.02배(즉, 1/50)로 감소시켰을 때의 이산화탄소의 농도 변화를 관찰한 것이다.
상기 도 6의 제7시험데이터(Lb-7) 결과에서 알 수 있듯이, 이산화탄소의 탈착 과정에서 도입되는 공기의 유량(V2)를 0.1×V1(제6시험데이터)에서 0.02×V2로 더욱 감소시킴에 따라, 최대 이산화탄소 농도 값이 소폭 감소하였으나, 더욱 오랜 시간 동안 이산화탄소의 농도가 높게 유지되는 것을 알 수 있으며, 이로부터 탈착 과정 중의 공기 유량은, 흡착 과정에 비해 더욱 낮게 유지하는 것이, 온실 내 작물의 이산화탄소 시비에 유리함을 확인할 수 있다.
도 7은 이산화탄소의 탈착 과정 수행 시, 최종 탈착 온도를 70°C로 변경하고, 탈착 온도 프로파일을 La-4와 La-5로 적용하여 얻어진 이산화탄소의 농도 변화를 측정한 결과이다.
최종 탈착 온도를 70°C로 낮춤에 따라 최대 이산화탄소 농도 값이 감소하였으며, 급격한 탈착 온도 변화(La-5)에 따른 제8시험데이터(Lb-8)에 비해 완만한 온도 변화(La-4)를 갖는 제9시험데이터(Lb-9)이 더욱 오랜 시간 동안 이산화탄소의 농도가 높게 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 하지만, 감소된 탈착 온도로 인해 다공성 매체로부터 이산화탄소의 탈착 속도가 더욱 느려짐으로써 온실 내의 이산화탄소의 농도가 전체적으로 낮게 유지되는 것을 알 수 있으며(1,000 ppm 이하), 이는 탈착 과정에서 공급되는 공기의 유량이 더욱 감소할 경(Lb-10, V2=0.01×V1; Lb-11, V2=0.004×V1)에 더욱 두드러지게 관찰되었다.
특히, 탈착 과정에서 공급되는 공기의 유량 V2가, 흡착 과정의 공기 유량 V1에 비해 1/250배로 감소될 경우(Lb-11, V2=0.004×V1), 온실 내 이산화탄소의 농도가 바람직한 이산화탄소 시비 농도 범위인 500 ~ 1,100 ppm을 충족하지 못하는 시간이 대폭 증가하므로, 바람직하지 않음을 알 수 있다.
따라서 최종 탈착 온도를 적어도 70°C 이상 100°C 이하로 유지하되, 탈착 과정 중에 공급되는 공기의 유량 V2를 적어도 V1의 0.01~0.2 배의 범위로 유지하는 것이 바람직함을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 형태인 이산화탄소 시비장치를 이용하여 이산화탄소를 시비하는 방법을 도시한 순서도이다. 상기 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 다공성 매체을 이용한 온실용 이산화탄소 시비장치를 이용한 시비 방법은, (a) 반응챔버로 대기 중의 공기를 공급하여, 반응챔버 내부의 다공성 매체에 이산화탄소를 흡착시키는 단계; 및 (b) 반응챔버의 온도 또는 압력을 제어하여, 다공성 매체에 흡착된 이산화탄소를 탈착시켜 온실 내부로 공급하는 단계;를 포함한다.
바람직하게는, 이산화탄소의 탈착 과정에서, 반응챔버 내부의 온도를 시간에 따라 점진적(stepwise) 상승시키며, 상기 탈착 과정에서 반응챔버로 공급되는 공기 유량(V2)은, 흡착 과정에서 반응챔버로 공급되는 공기 유량(V1)의 약 0.01배 내지 0.2 배의 범위로 유지하고, 온실 내부의 이산화탄소의 농도를 소정 시간 동안 약 500 내지 1100 ppm으로 유지하는 것이 바람직하다.
일출 후에 입사되는 광량이 증가하면서 작물이 광합성을 시작하면, 잎의 기공이 열려서 증산작용이 활발하게 이루어지므로, 일출직후부터 상기 탈착과정 및 이산화탄소 시비를 수행하는 것이 바람직하며, 이를 위해 이산화탄소를 온실 내에 지속적으로 공급하되, 온실 내부의 이산화탄소 농도가 온실 내부의 이산화탄소 농도에 도달할 경우 해당 온실 내부의 이산화탄소 농도를 유지할 수 있도록 공기 유량(V2) 또는 탈착 온도를 제어하는 것도 가능하다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다. 본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 범주에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 명확해질 것이다.
1 : 온실 1a : 검출모듈
10 : 흡기관 20 : 이송관
21 : 배기관 22 : 공급관
50 : 제어밸브 100 : 반응챔버
101 : 다공성 매체 200 : 조절수단
300 : 제어부

Claims (10)

  1. 다공성 매체를 사용하는 온실 이산화탄소 시비장치에 있어서,
    상기 온실 내부의 이산화탄소 농도 및/또는 일조량을 검출하는 검출모듈;
    대기 중의 이산화탄소를 흡착(adsorption) 및 탈착(desorption)하는 다공성 매체가 포함된 반응챔버;
    상기 반응챔버 내부의 온도 및/또는 압력을 제어하는 조절수단;
    온실 외부의 공기를 상기 반응챔버로 도입하는 흡기관;
    상기 반응챔버 내부의 공기를 반응챔버의 외부로 이송하는 이송관;
    이송관을 통해 이송되는 공기를 온실 밖으로 배기시키는 배기관;
    이송관을 통해 이송되는 공기를 온실 내부로 공급하는 공급관;
    상기 이송관이, 상기 배기관 또는 상기 공급관과 선택적으로 연통되도록 조절하는 제어밸브; 및
    제어밸브의 선택적 연통과 상기 조절수단의 구동을 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는, 이송관과 배기관을 연통시켜 상기 다공성 매체에 이산화탄소를 흡착시키는 흡착 과정과, 이송관과 공급관을 연통시키고, 반응챔버의 압력 또는 온도를 제어하여 다공성 매체로부터 이산화탄소를 탈착시키는 탈착 과정을 수행함으로써, 온실 내부의 이산화탄소 농도를 높이되,
    상기 탈착 과정에서 반응챔버의 온도를 하기 식 (1)과 같이 변화시키는 것을 특징으로 하는, 다공성 매체를 사용한 온실용 이산화탄소 시비장치.
    T = T0 - {T0 × e(A2×t^A3)+A4)} 식(1)
    (여기서 T0는 최종 탈착 온도이고, t는 시간이며, A2는 -0.029이고, A3는 0.805이며, A4는 -1.383임)
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탈착 과정에서 상기 제어부는, 반응챔버 내부의 온도를 시간에 따라 점진적(stepwise)으로 증가시키는 것을 특징으로 하는, 다공성 매체를 사용한 온실용 이산화탄소 시비장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탈착 과정에서 반응챔버로 공급되는 공기 유량(V2)은, 흡착 과정에서 반응챔버로 공급되는 공기 유량(V1)의 0.01 내지 0.2 배인 것을 특징으로 하는, 다공성 매체를 사용한 온실용 이산화탄소 시비장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    탈착 과정에서 반응챔버의 최종 탈착 온도는 70~100℃ 것을 특징으로 하는, 다공성 매체를 사용한 온실용 이산화탄소 시비장치.
  7. 제1항에 있어서,
    탈착 과정을 통해 온실 내부의 이산화탄소의 농도를, 500 내지 1,100 ppm의 범위로 증가시키는 것을 특징으로 하는, 다공성 매체를 사용한 온실용 이산화탄소 시비장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 반응챔버에 포함되는 다공성 매체는, 평균 지름이 1.5mm인 금속유기구조체(MOF,Metal-organic Framework), 실리카겔, 제올라이트(Zeolite), 활성탄소, 금속산화물, 활성알루미나, 활성탄 중 하나이고, 기공도(porosity)가 0.5 내지 0.6인 것을 특징으로 하는, 다공성 매체를 사용한 온실용 이산화탄소 시비장치
  9. 온실에 이산화탄소를 시비하는 방법에 있어서
    (a) 반응챔버로 대기 중의 공기를 공급하여, 반응챔버 내부의 다공성 매체에 이산화탄소를 흡착시키는 단계; 및
    (b) 반응챔버의 온도 또는 압력을 제어하여, 다공성 매체에 흡착된 이산화탄소를 탈착시켜 온실 내부로 공급하는 단계;를 포함하고,
    이산화탄소의 탈착 과정에서, 반응챔버 내부의 온도를 시간에 따라 점진적(stepwise) 상승시키며,
    상기 탈착 과정에서 반응챔버로 공급되는 공기 유량(V2)은, 흡착 과정에서 반응챔버로 공급되는 공기 유량(V1)의 0.01배 내지 0.2 배이고,
    온실 내부의 이산화탄소의 농도를, 소정 시간 동안 500 내지 1,100 ppm의 범위로 유지시키되,
    이산화탄소의 탈착에서 반응챔버의 온도는 하기 식 (1)과 같이 변화되는 것을 특징으로 하는, 다공성 매체를 사용하여 온실에 이산화탄소를 시비하는 방법.
    T = T0 - {T0 × e(A2×t^A3)+A4)} 식(1)
    (여기서 T0는 최종 탈착 온도이고, t는 시간이며, A2는 -0.029이고, A3는 0.805이며, A4는 -1.383임)
  10. 제9항에 있어서,
    이산화탄소의 탈착 과정에서 반응챔버의 최종 탈착 온도는 70~100℃ 것을 특징으로 하는, 다공성 매체를 사용하여 온실에 이산화탄소를 시비하는 방법.

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