KR102575203B1 - 식물 재배 시설 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 식물 재배 시설에 관한 것으로, 내부에 식물 재배 공간을 포함하는 온실 구조의 지붕면에 형성된 지지 프레임, 지지 프레임에 이동 가능하게 설치되고, 태양광을 흡수하여 전력을 생산하며, 식물 재배 공간에 태양광 및 인공광을 공급하는 복수의 발전형 조명 모듈, 및 식물 재배 공간의 환경을 감지한 환경 감지 정보 및 미리 설정된 환경 제어 정보에 따라 복수의 발전형 조명 모듈 각각을 제어하는 관리 모듈을 포함한다.
Description
본 발명은 식물 재배 시설에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양광 발전과 식물 생장 및 작업에 필요한 인공 조명을 동시에 제공하고, 태양광의 투과 및 이동이 가능한 형태로 발전형 조명 모듈을 형성함으로써 식물 재배 공간에 태양광을 안정적으로 공급하고, 식물 생장 및 작업의 효율을 향상시키며, 전기 에너지를 절감할 수 있는 식물 재배 시설에 관한 것이다.
일반적으로 온실(green house)은 식물을 재배하기 위해 설치된 시설로서, 식물을 날씨나 온도 또는 해충의 영향으로부터 보호하여 식물의 성장 속도를 촉진시키고, 고품질의 재배를 가능하게 한다. 특히, 일조량이 적은 지역이나 한대 지역에서는 온실에서 제공하는 생육 환경에 의한 식물 성장 촉진 효과가 높게 나타난다.
온실은 빛을 투과할 수 있는 지붕을 구비하고, 지붕을 통해 식물의 광합성에 필요한 빛이 내부로 공급된다. 또한, 온실 내에 온도나 습도를 제어하는 공조 설비, 식물에 수분을 공급하는 스프링클러 등과 같은 수처리 설비, 외부 공기 순환을 위한 팬, 식물 생육을 보조하는 조명 설비 등을 설치하여 온실 내부의 환경이 재배하는 식물에 최적화된 상태가 되도록 제어한다. 이러한 설비들은 대량의 전력을 소비하므로, 유지 비용이 높아 온실을 사용하는 사용자에게 높은 부담이 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 태양광 발전과 식물 생장 및 작업에 필요한 인공 조명을 동시에 제공하고, 태양광의 투과 및 이동이 가능한 형태로 발전형 조명 모듈을 형성함으로써 식물 재배 공간에 태양광을 안정적으로 공급하고, 식물 생장 및 작업의 효율을 향상시키며, 전기 에너지를 절감할 수 있는 식물 재배 시설을 제공하고자 한다.
실시예들 중에서, 식물 재배 시설은 내부에 식물 재배 공간을 포함하는 온실 구조의 지붕면에 형성된 지지 프레임; 상기 지지 프레임에 이동 가능하게 설치되고, 태양광을 흡수하여 전력을 생산하며, 상기 식물 재배 공간에 상기 태양광 및 인공광을 공급하는 복수의 발전형 조명 모듈; 및 상기 식물 재배 공간의 환경을 감지한 환경 감지 정보 및 미리 설정된 환경 제어 정보에 따라 상기 복수의 발전형 조명 모듈 각각을 제어하는 관리 모듈을 포함한다.
여기에서, 상기 발전형 조명 모듈은 투명 모듈 기판; 상기 투명 모듈 기판의 상면에 형성되고, 상기 태양광을 투과하는 광 투과 영역을 제외한 태양 전지 영역 상에서 상기 태양광을 흡수하여 전력을 생산하는 태양전지 모듈; 및 상기 투명 모듈 기판의 하면에 형성되고, 상기 식물 재배 공간에 상기 인공광을 공급하는 조명 모듈을 포함한다.
여기에서, 상기 태양전지 모듈은 상기 투명 모듈 기판의 상면에 일정 간격으로 배치된 복수의 태양 전지 셀을 포함하고, 상기 광 투과 영역은 상기 복수의 태양전지 셀 사이에 형성된다.
여기에서, 상기 조명 모듈은 상기 투명 모듈 기판의 상기 태양 전지 영역 상에 형성된다.
여기에서, 상기 조명 모듈은 430~450nm의 파장대를 갖는 청색광을 출력하는 청색 광원; 650~670nm의 파장대를 갖는 적색광을 출력하는 적색 광원; 및 백색광을 출력하는 백색 광원을 포함한다. 여기에서, 상기 백색광은 2500~4000K의 색 온도를 갖는다.
여기에서, 상기 관리 모듈은 식물 재배 모드 시 상기 복수의 발전형 조명 모듈로부터 상기 적색광, 상기 청색광 및 이들의 조합 중 어느 하나를 출력시키고, 작업 모드 시 상기 복수의 발전형 조명 모듈로부터 상기 백색광을 출력시킨다.
여기에서, 상기 조명 모듈은 610~615nm의 해충 방제용 인공광을 출력하는 해충 방제용 광원을 포함한다. 여기에서, 상기 관리 모듈은 식물 재배 모드 시 상기 복수의 발전형 조명 모듈로부터 상기 적색광, 상기 청색광 및 이들의 조합 중 어느 하나를 출력시키고, 작업 모드 시 상기 복수의 발전형 조명 모듈로부터 상기 백색광을 출력시키고, 해충 방제용 모드 시 상기 해충 방제용 인공광을 출력시킨다.
여기에서, 상기 관리 모듈은 식물의 종류 별로 표준화된 식물 생장 표준 정보, 상기 환경 감지 정보 및 사용자 단말로부터 수신된 사용자 관리 정보를 기초로 상기 식물 재배 공간 내에 재배되는 식물의 최적 성장 주기 및 성장 환경을 식물 생장 정보로 구축하고, 식물 생장 정보를 이용하여 미리 설정된 주기 별로 상기 환경 제어 정보를 생성한다.
여기에서, 상기 식물 재배 공간 내에 설치되는 재배 설비를 더 포함하고, 상기 관리 모듈은 상기 환경 감지 정보, 상기 환경 제어 정보, 상기 복수의 발전형 조명 모듈 및 상기 재배 설비의 제어 상태를 모니터링한 모니터링 정보를 상기 사용자 단말에 제공한다.
여기에서, 상기 사용자 단말은 상기 모니터링 정보를 기초로 상기 복수의 발전형 조명 모듈 및 상기 재배 시설을 관리하는 상기 사용자 관리 정보를 생성하여 상기 관리 모듈에 전송하는 식물 재배 시설.
여기에서, 상기 관리 모듈은 기본 모드로 동작하여 미리 설정된 시간마다 상기 복수의 발전형 조명 모듈 각각을 일정 방향으로 이동시키고, 상기 식물 재배 공간의 내부 일조량이 미리 설정된 최소 일조량 이하이면 이동 중지 모드로 동작하여 상기 복수의 발전형 조명 모듈 각각의 이동을 중지시키고, 상기 식물 재배 공간의 내부 일사량이 미리 설정된 최대 일사량 이상이면 차광막 모드로 동작하여 상기 복수의 발전형 조명 모듈 각각을 차광막으로 동작시킨다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 식물 재배 시설은 태양광 발전과 식물 생장 및 작업에 필요한 인공 조명을 동시에 제공하고, 태양광의 투과 및 이동이 가능한 형태로 발전형 조명 모듈을 형성함으로써 식물 재배 공간에 태양광을 안정적으로 공급하고, 식물 생장 및 작업의 효율을 향상시키며, 전기 에너지를 절감할 수 있다.
도 1a, 도 1b 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 식물 재배 시설을 도시한 도면이다.
도 3은 도 1b에 도시된 복수의 발전형 조명 모듈의 이동을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 도 1a에 도시된 발전형 조명 모듈을 도시한 도면이다.
도 3은 도 1b에 도시된 복수의 발전형 조명 모듈의 이동을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 도 1a에 도시된 발전형 조명 모듈을 도시한 도면이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있고, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽힐 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1a, 도 1b 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 식물 재배 시설을 도시한 도면이고, 도 3은 도 1b에 도시된 복수의 발전형 조명 모듈의 이동을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 1a을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 식물 재배 시설(1)은 내부에 식물 재배 공간(2)을 포함하는 온실 구조를 형성한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 식물 재배 시설(1)은 지지 프레임(100), 복수의 발전형 조명 모듈(200), 관리 모듈(300), 에너지 저장 모듈(400), 재배 설비(500), 사용자 단말(600) 및 계통 전원(700)을 포함할 수 있다.
지지 프레임(100)은 온실 구조의 지붕면에 형성되고, 복수의 발전형 조명 모듈(200) 각각을 수평 방향으로 이동 가능하게 지지한다. 여기에서, 지지 프레임(100)은 태양광이 복수의 발전형 조명 모듈(200)에 입사되는 입사각을 고려하여 일정 각도로 기울어진 형태로 형성될 수 있다. 즉, 도 1b에 도시된 바와 같이, 온실 구조의 측면 방향으로 식물 재배 공간(2)에 태양광이 입사되므로 지붕 및 지지 프레임(100)을 일정 각도 기울어진 형태로 형성하는 것이 바람직하다.
지지 프레임(100)은 복수의 발전형 조명 모듈(200) 각각의 이동 공간 별로 구획될 수 있고, 복수의 발전형 조명 모듈(200) 각각이 끼움 결합된 상태에서 슬라이딩 방식으로 이동 가능하게 형성될 수 있다. 여기에서, 지지 프레임(100)은 내측면에 복수의 발전형 조명 모듈(200) 각각을 이동시키기 위한 레일 부재(미도시) 등을 포함할 수 있으나, 본 발명의 일 실시예는 이에 한정되지 않고, 지지 프레임(100)이 다양한 방법으로 복수의 발전형 조명 모듈(200)을 이동시키도록 설계될 수 있다.
복수의 발전형 조명 모듈(200) 각각은 태양광 발전과 식물 생장 및 작업에 필요한 인공 조명을 동시에 제공하는 복합 모듈로 형성될 수 있다. 복수의 발전형 조명 모듈(200) 각각은 태양광 발전을 통해 전력을 생산하고, 태양광 발전에 사용되지 않는 태양광을 투과시켜 식물 재배 공간(2)에 기본 일조량을 제공하며, 동시에 식물 재배 공간(2)에 식물 성장, 해충 방제 및 작업 조명용 인공광을 제공할 수 있다.
또한, 복수의 발전형 조명 모듈(200) 각각은 지지 프레임(100)에 이동 가능하게 결합되고, 관리 모듈(300)에 의해 제어되어 수평 방향으로 이동하여 식물 재배 공간(2)의 전체 영역에 균일한 일조량을 제공하고, 일사량이 강한 영역에 대한 차단막의 역할을 수행할 수 있다.
구체적으로, 복수의 발전형 조명 모듈(200) 각각은 도 2에 도시된 바와 같이, 태양전지 모듈(210) 및 조명 모듈(220)을 포함할 수 있다. 태양전지 모듈(210) 및 조명 모듈(220)은 하나의 모듈 기판 상에 일체형으로 형성될 수 있다. 태양전지 모듈(210) 및 조명 모듈(220)이 하나의 모듈 기판 상에 형성되므로 조명 모듈(220)의 동작에 의해 발생하는 열이 태양전지 모듈(210)을 통해 방출되어 방열 효과를 제공할 수 있다. 이로 인해, 조명 모듈(220)이 안정적으로 동작하고, 수명이 증가할 수 있다.
태양전지 모듈(210)은 태양광을 흡수하여 전력을 생산하는 태양전지 영역 및 태양전지 영역을 제외한 광 투과 영역을 포함하고, 광 투과 영역을 통해 전력 생산에 사용되지 않는 태양광을 투과시켜 식물 재배 공간(2)에 공급할 수 있다. 태양전지 모듈(210)은 광 투과율이 적어도 50% 이상인 반투명 태양전지 모듈 또는 BIPV(Building Integrated Photovoltaic) 모듈로 형성될 수 있다. 이로 인해, 식물 재배 공간(2)의 기본 일사량을 확보할 수 있고, 전력 소비를 감소시킬 수 있다.
조명 모듈(220)은 태양전지 모듈(210)의 태양전지 영역 상에 설치되고, 관리 모듈(300)에 의해 제어되어 식물 재배 공간(2)에 식물 성장, 해충 방제 및 작업에 필요한 인공광을 공급할 수 있다. 일반적으로 광원의 파장이 식물에 미치는 작용은 450nm의 청색광에서 광합성이 촉진되고, 430~440nm의 청색광에서 광합성 작용의 최대 및 엽록소 작용의 최대 효과를 발휘할 수 있는 반면 해충에 유연하며, 580~650nm의 적황색광에서 광합성에 유익하지 않는 반면 해충 방제 작용 효과가 있고, 650~660nm의 적색광에서는 엽록소 작용 최대 효과와 발아작용 및 잎 배포 화아 형성 작용을 도모하며, 670nm의 적색광에서 광합성 작용의 최대 효과가 발휘된다.
즉, 식물의 광합성에 효과가 있는 파장대는 430~450nm의 청색광 및 650~670nm의 적색광이다. 또한, 해충 방제의 경우 가장 효과가 있는 파장대는 610~615nm이다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 모듈(220)은 식물 성장을 위한 인공광으로 식물의 광합성을 가장 최대화할 수 있는 430~450nm의 청색광, 650~670nm의 적색광 및 이들의 조합 중 어느 하나를 조사할 수 있다. 또한, 조명 모듈(220)은 해충 방제 효과 및 작업을 위한 환경을 갖도록 백색광을 조사할 수 있다. 여기에서, 백색광은 2500~4000K의 색 온도를 갖는 주광색일 수 있다. 또한, 조명 모듈(220)이 해충 방제 효과를 위해 백색광과 별도로 610~615nm의 해충 방제용 인공광을 조사할 수 있다.
조명 모듈(220)은 에너지 저장 모듈(400)로부터 태양전지 모듈(210)에 의해 생산된 전력을 공급받아 구동될 수 있다. 본 발명의 일 실시예는 이에 한정되지 않고, 태양전지 모듈(210)에 의해 생산된 전력이 부족할 경우 조명 모듈(220)은 에너지 저장 모듈(400)을 통해 계통 전원(700)의 전력을 공급받아 구동될 수도 있다.
다시 도 1a을 참조하면, 관리 모듈(300)은 식물 재배 공간(2)의 환경을 감지한 환경 감지 정보 및 미리 설정된 환경 제어 정보에 따라 복수의 발전형 조명 모듈(200) 각각을 관리할 수 있다. 관리 모듈(300)의 식물 재배 공간(2)의 일조량 및 일사량을 감지하여 복수의 발전형 조명 모듈(200)의 이동을 제어하고, 식물 재배 공간(2)에 재배되는 식물의 생장 및 작업에 필요한 인공광의 공급을 제어할 수 있다.
관리 모듈(300)은 식물 재배 공간(2)에 재배되는 식물의 종류 별로 표준화된 식물 생장 표준 정보, 식물 재배 공간(2)의 환경을 감지한 환경 감지 정보 및 사용자 단말(600)로부터 수신된 사용자 관리 정보를 이용하여 식물의 최적 성장 주기 및 성장 환경을 식물 생장 정보로 구축하고, 구축된 식물 생장 정보를 이용하여 미리 설정된 주기별로 식물 재배 공간(2)의 환경을 제어하기 위한 환경 제어 정보를 설정할 수 있다. 여기에서, 주기는 날짜나 시간 등으로 설정될 수 있다.
또한, 관리 모듈(300)은 에너지 저장 모듈(400) 및 재배 설비(500)를 관리하고, 사용자 단말(600)과 통신하여 식물 재배 공간(2)의 전반적인 관리 상태를 보고한다. 예를 들어, 관리 모듈(300)은 복수의 발전형 조명 모듈(200) 및 재배 설비(500)의 제어 상태를 모니터링하여 모니터링 정보를 생성하고, 환경 감지 정보, 환경 제어 정보 및 모니터링 정보를 사용자 단말(600)에 전송할 수 있다. 또한, 관리 모듈(300)은 에너지 저장 모듈(400)의 저장 상태를 모니터링하여 모니터링 정보를 생성할 수 있다.
즉, 관리 모듈(300)은 식물 재배 공간(2)의 환경을 최적의 환경으로 유지하고, 사용자 단말(600)이 원격지에서도 식물 재배 공간(2)의 전반적인 환경을 모니터링 및 제어할 수 있도록 한다.
구체적으로, 관리 모듈(300)은 도 2에 도시된 바와 같이, 감지부(310), 식물 정보 관리부(320), 이동부(330), 조명 구동부(340) 및 주 제어부(350)를 포함할 수 있다. 감지부(310)는 식물 재배 공간(2)의 온도, 습도, 조도, 분광 및 해충을 감지하여 환경 감지 정보를 생성할 수 있다.
여기에서, 감지부(310)는 온도 및 습도를 감지하는 온도 및 습도 센서(312), 조도를 감지하는 조도 센서(314), 가시광선 파장별 비율을 감지하는 분광 센서(316) 및 해충을 감지하는 해충 감지 센서(318)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예는 이에 한정되지 않고, 감지부(310)가 식물 재배 공간(2)의 다양한 환경을 감지할 수 있는 다른 센서들을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 감지부(310)는 식물 재배 공간(2)의 작업자를 감지하기 위한 모션 센서 등을 더 포함할 수 있다.
식물 정보 관리부(320)는 미리 저장된 식물 종류 별로 표준화된 식물 생장 표준 정보, 감지부(310)로부터 수집된 환경 감지 정보 및 사용자 단말(600)로부터 수신된 사용자 관리 정보를 기초로 식물 재배 공간(2)에서 재배되는 식물의 종류에 해당하는 최적의 성장 주기 및 성장 환경을 식물 생장 정보로 구축하고, 관리할 수 있다. 여기에서, 식물 생장 표준 정보는 식물 재배 공간(2)에 재배되는 식물의 종류 별로 청색광 및 적색광의 광량비에 따른 식물 생장 속도 및 개화시기 정보가 포함될 수 있다.
또한, 식물 생장 표준 정보는 식물의 광합성에 적합한 최소 및 최대 조도 범위 등이 포함될 수 있다. 예를 들어, 포도는 광 포화점에 대한 조도 값은 5324lx이고, 광양자속 밀도(ppfd) 값이 484이고, 광 보상점에 대한 조도 값은 55lx이고, 광양자속 밀도 값이 5이다. 반면, 오이는 광 포화점에 대한 조도 값이 7315lx, 광양자속 밀도 값이 665이며, 광 보상점에 대한 조도 값이 264lx이고, 광양자속 밀도 값이 24이다. 그리고, 식물 생장 표준 정보는 해충의 종류 및 발생 시기 등이 포함될 수 있다.
식물 정보 관리부(320)는 식물 재배 공간(2)에서 재배되는 식물에 대해 구축된 식물 생장 정보에 따라 미리 설정된 주기 별로 식물 재배 공간(2)의 환경을 제어하기 위한 환경 제어 정보를 생성할 수 있다. 예를 들어, 식물 정보 관리부(320)는 인공지능 알고리즘을 이용하여 식물의 종류에 따라 최적의 성장 주기 및 성장 환경을 학습하고, 학습된 최적의 성장 주기 및 성장 환경으로 날짜 및 시간대 별로 필요한 식물 재배 공간(2)의 환경을 예측하여 환경 제어 정보를 생성할 수 있다.
이동부(330)는 주 제어부(350)에 의해 설정된 이동 모드에 따라 복수의 발전형 조명 모듈(200) 각각을 물리적으로 이동시킬 수 있다. 이동부(330)는 복수의 발전형 조명 모듈(200) 각각에 이동 동력을 제공하기 위한 이동 모터를 포함할 수 있다. 여기에서, 이동 모터는 복수의 발전형 조명 모듈(200) 각각에 결합되어 설치되거나, 지지 프레임(100)에 설치될 수 있다. 예를 들어, 이동부(330)는 도 3에 도시된 바와 같이, 복수의 발전형 조명 모듈(200) 각각을 좌측 방향(a)으로 이동시키거나, 우측 방향(b)으로 이동시킬 수 있다.
조명 구동부(340)는 주 제어부(350)에 의해 설정된 조명 모드에 따라 조명 모듈(220)을 구동하여 인공광의 출력을 제어할 수 있다. 여기에서, 조명 구동부(340)는 조명 모드에 따라 조명 모듈(220)에 공급되는 구동 전류를 제어하는 정전류 구동 방식으로 구동될 수 있다.
주 제어부(350)는 감지부(310), 식물 정보 관리부(320), 이동부(330), 조명 구동부(340), 에너지 저장 모듈(400) 및 재배 설비(500)의 전반적인 동작을 제어하고, 제어 상태를 모니터링한다.
주 제어부(350)는 사용자 단말(600)과 통신하여 감지부(310)를 통해 감지된 환경 감지 정보 및 설정된 환경 제어 정보를 전송할 수 있고, 이동부(330), 조명 구동부(340), 에너지 저장 모듈(400) 및 재배 설비(500)의 제어 상태를 모니터링한 정보를 전송할 수 있다. 주 제어부(350)는 사용자 단말(600)로부터 사용자 관리 정보를 수신하여 이동부(330), 조명 구동부(340) 및 재배 설비(500)를 제어할 수 있다.
주 제어부(350)는 환경 감지 정보 및 환경 제어 정보에 따라 이동 모드를 설정하여 이동부(330)를 제어할 수 있다. 여기에서, 이동 모드는 기본 모드, 이동 중지 모드 및 차광막 모드를 포함할 수 있다. 기본 모드는 미리 설정된 시간마다 복수의 발전형 조명 모듈(200) 각각을 일정 방향으로 이동시키는 모드로서, 식물 재배 공간(2)의 내부로 태양광을 균일하게 공급할 수 있다. 예를 들어, 주 제어부(350)는 기본 모드 시 복수의 발전형 조명 모듈(200) 각각을 일정 시간마다 좌측 방향 또는 우측 방향으로 이동시킬 수 있다.
이동 중지 모드는 식물 재배 공간(2)의 내부 일조량이 미리 설정된 최소 일조량 이하이거나, 미리 설정된 저녁 시간대동안 복수의 발전형 조명 모듈(200) 각각의 이동을 중지시키는 모드로서, 입사되는 태양광이 적은 시간 동안 불필요한 이동을 막아 전력이 낭비되지 않도록 할 수 있다.
차광막 모드는 식물 재배 공간(2)의 내부 일사량이 미리 설정된 최대 일사량 이상인 경우 복수의 발전형 조명 모듈(200) 각각을 차광막으로 동작시켜 식물의 잎이 태양광에 의해 고사하는 것을 방지할 수 있다. 여기에서, 주 제어부(350)는 분광 센서(316)와 에너지 저장 모듈(400)에 포함된 반도체 광 검출기(미도시)에 의해 감지된 식물 재배 공간(2)의 내부 일사량에 따라 차광막 모드를 설정할 수 있다.
주 제어부(350)는 환경 감지 정보 및 환경 제어 정보에 따라 조명 모드를 설정하여 조명 구동부(340)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 주 제어부(350)는 식물 재배 공간(2)의 분광 및 조도에 따라 조명 모드를 선택하거나, 사용자 단말(600)로부터 선택된 조명 모드로 조명 구동부(340)를 제어할 수 있다.
여기에서, 조명 모드는 식물 재배 모드, 해충 방제 모드 및 작업 모드를 포함할 수 있다. 예를 들어, 주 제어부(350)는 식물 재배 모드 시 조명 모듈(220)로부터 식물 성장용 파장대를 갖는 430~450nm의 청색광 및 650~670nm의 적색광이 출력되도록 조명 구동부(340)를 제어할 수 있다. 또한, 주 제어부(350)는 작업 모드 시 조명 모듈(220)로부터 백색광이 출력되도록 조명 구동부(340)를 제어할 수 있다. 여기에서, 백색광은 해충 방제 효과를 위해 2500~4000K의 색 온도를 갖는 주광색일 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 이에 한정되지 않고, 주 제어부(350)가 해충 방제 모드를 별도로 제공하여 작업 모드 시 조명 모듈(220)로부터 백색광이 출력되도록 조명 구동부(340)를 제어하고, 해충 방제 모드 시 조명 모듈(220)로부터 해충 방제용 파장대인 610~615nm의 해충 방제용 인공광이 출력되도록 조명 구동부(340)를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 이에 한정되지 않고, 주 제어부(350)가 식물 재배 공간(2)의 일조량이 기준 일조량보다 낮은 경우 조명 모듈(220)로부터 백색광이 출력되도록 조명 구동부(340)를 제어할 수 있다. 즉, 특정 지역이나 날씨로 인해 일조량이 부족한 환경에서 조명 모듈(220)을 통해 부족한 일조량을 보완할 수 있다.
에너지 저장 모듈(400)은 태양전지 모듈(210)로부터 생산된 전력을 저장하고, 저장된 전력을 계통 전원(700)에 공급할 수 있다. 또한, 에너지 저장 모듈(400)은 저장된 전력을 조명 모듈(220)에 공급할 수 있다. 에너지 저장 모듈(400)은 저장된 전력량이 일정 크기 이하인 경우 계통 전원(700)의 전원을 조명 모듈(220)에 공급할 수 있다. 구체적으로, 에너지 저장 모듈(400)은 제1 전력 변환부(410), 제2 전력 변환부(420), 배터리(430) 및 충전 제어부(440)를 포함할 수 있다. 제1 전력 변환부(410)는 태양전지 모듈(210)로부터 생산된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하여 계통 전원(700)에 공급한다.
제2 전력 변환부(420)는 계통 전원(700)의 AC 전력을 DC 전력으로 변환한다. 충전 제어부(440)는 태양전지 모듈(210)로부터 생산된 DC 전력을 배터리(430)에 충전한다. 충전 제어부(440)는 배터리(430)에 충전된 DC 전력을 조명 모듈(220)에 공급할 수 있고, 배터리(430)에 충전된 DC 전력이 일정 크기 이하인 경우 제2 전력 변환부(420)를 통해 변환된 DC 전력을 조명 모듈(220)에 공급할 수 있다.
재배 설비(500)는 식물 재배 공간(2) 내에 설치되고, 식물 재배 공간(2)에 물을 공급하는 급수 설비(510), 식물 재배 공간(2)을 환기시키는 환기 설비(520)를 포함할 수 있다. 본 발명은 이에 한정되지 않고, 재배 설비(500)는 식물 재배 공간(2) 내의 식물을 재배하기 위해 필요한 다양한 설비들을 포함할 수 있다.
사용자 단말(600)은 식물 재배 공간(2)을 관리하는 작업자가 사용하는 단말로서, 노트북, 스마트폰 등의 단말로 구현될 수 있다. 사용자 단말(600)은 주 제어부(350)와 네트워크를 통해 통신하여 환경 감지 정보 및 환경 제어 정보를 제공받아 화면에 표시할 수 있고, 이동부(330), 조명 구동부(340) 및 재배 설비(500)의 제어 상태를 모니터링한 정보를 제공받아 화면에 표시할 수 있다.
또한, 사용자 단말(600)은 에너지 저장 모듈(400)의 저장 상태에 대한 정보를 제공받아 화면에 표시할 수 있다. 그리고, 사용자 단말(600)은 환경 감지 정보, 환경 제어 정보 및 모니터링 정보를 기초로 이동부(330), 조명 구동부(340) 및 재배 설비(500)를 관리하는 사용자 관리 정보를 입력 받아 주 제어부(350)에 전송할 수 있다. 즉, 사용자 단말(600)은 원격지에서도 식물 재배 공간(2)의 관리 상태를 확인 및 제어할 수 있다.
도 4a 내지 도 4c는 도 1a에 도시된 발전형 조명 모듈을 도시한 도면이다.
도 4a를 참조하면, 발전형 조명 모듈(200)은 태양전지 모듈(210) 및 조명 모듈(220)을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈(210) 및 조명 모듈(220)은 하나의 투명 모듈 기판(230) 상에 형성될 수 있다. 즉, 태양전지 모듈(210)은 투명 모듈 기판(230) 상면 상에 형성되고, 조명 모듈(220)은 투명 모듈 기판(230)의 하면 상에 형성될 수 있다. 여기에서, 투명 모듈 기판(230)은 가시광선 투과율이 높은 재질, 예컨대 투과율이 약 50% 이상의 CPI(Colorless Polyimide) 기판 또는 유리(Glass) 기판으로 형성될 수 있다.
태양전지 모듈(210)은 박막형 태양전지로서, 비정질 실리콘(a-Si), 염료감응형(DSSC) 태양전지 등을 포함할 수 있다. 또한, 태양전지 모듈(210)은 빌딩(또는 차량)의 유리창을 대용할 수 있는 BIPV를 포함할 수 있다. 구체적으로, 태양전지 모듈(210)은 복수의 태양전지 셀(212), 접착층(214, 216) 및 투명 모듈 기판(218)을 포함할 수 있다. 복수의 태양전지 셀(212)은 투명 모듈 기판(230) 상에 일정한 간격으로 배치되고, 입사되는 태양광을 흡수하여 전력을 생산한다.
여기에서, 복수의 태양전지 셀(212)이 형성된 태양전지 영역(SA)을 제외한 영역은 태양광이 투과하는 광 투과 영역(OA)을 형성한다. 즉, 복수의 태양전지 셀(212) 사이의 영역은 광 투과 영역(OA)을 형성할 수 있다. 광 투과 영역(OA)은 투명 모듈 기판(230)의 면적 대비 약 50%의 면적으로 형성될 수 있고, 광 투과 영역(OA)을 통해 전력의 생산에 사용되지 않는 태양광이 투과되어 식물 재배 공간(2)에 공급될 수 있다.
제1 및 제2 접착층(214, 216)은 투명 모듈 기판(230, 218) 사이에 복수의 태양전지 셀(212)을 밀봉한다. 여기에서, 제1 및 제2 접착층(214, 216) 각각은 폴리비닐부티랄(PVB; Poly Vinyl Butyral), 에틸렌비닐아세테이트(EVA; Ethylene Vinyl Acetate) 등으로 형성될 수 있다.
투명 모듈 기판(218)은 가시광선 투과율이 높은 재질, 예컨대 투과율이 약 50% 이상의 CPI(Colorless Polyimide) 기판 또는 유리(Glass) 기판으로 형성될 수 있다. 즉, 태양광 모듈(220)은 2장의 투명 모듈 기판(230, 218) 사이에 밀봉된 복수의 태양전지 셀(212)을 포함하는 패널 형태로 형성될 수 있다.
조명 모듈(220)은 투명 모듈 기판(230) 하면에 결합되고, 주 제어부(350)에 의해 제어되어 식물 재배 공간(2)에 인공광을 공급한다. 조명 모듈(220)은 태양전지 영역(SA)에 해당하는 투명 모듈 기판(230)의 하면 상에 배치될 수 있다.
즉, 조명 모듈(220)은 도 4b에 도시된 바와 같이, 광 투과 영역(OA)을 가리지 않는 영역에 배치될 수 있다. 특히, 조명 모듈(220)은 태양전지 영역(SA) 중 복수의 태양전지 셀(212)이 배열되는 어레이 중 짧은 길이의 어레이에 해당하는 영역의 하면에 배치될 수 있다. 따라서, 식물 재배 공간(2)에 투과되는 태양광을 가리는 영역 없이 조명 모듈(220)을 설치할 수 있다. 본 발명의 일 실시예는 이에 한정되지 않고, 광 투과 영역(OA)의 너비를 고려하여 태양광을 가리는 영역이 최소화될 수 있도록 광 투과 영역(OA) 상에도 배치될 수 있다.
조명 모듈(220)은 복수의 청색 광원(222), 적색 광원(224) 및 백색 광원(226)을 포함할 수 있다. 여기에서, 청색 광원(222), 적색 광원(224) 및 백색 광원(226) 각각은 LED(Light Emitting Diode)를 포함할 수 있고, 어레이 형태로 배치될 수 있다.
청색 광원(222)은 430~450nm의 파장대를 갖는 청색광을 출력하고, 적색 광원(224)은 650~670nm의 파장대를 갖는 적색광을 출력할 수 있다. 여기에서, 청색 광원(222)과 적색 광원(224)은 적색 광원(224)의 광량 한계와 광합성의 효율을 고려하여 1:2의 비율로 배치될 수 있다. 백색 광원(226)은 청색 LED, 적색 LED 및 옐로우 형광체를 포함하여 2500~4000K의 색 온도를 갖는 백색광을 출력할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 이에 한정되지 않고, 도 4c에 도시된 바와 같이, 조명 모듈(220)이 백색 광원(226) 대신에 녹색 광원(226')을 포함하여 백색광을 출력하고, 별도의 해충 방제용 광원(228)을 더 포함하여 해충 방제용 파장대인 610~615nm의 해충 방제용 인공광을 출력할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 모듈(220)은 식물 재배 모드 시 청색 및 적색 광원(222, 224)의 광량 비를 조절하여 식물 재배 공간(2)에 조사함으로써 식물 성장 효과를 제공하고, 작업 모드 시 2500~4000K의 색 온도를 갖는 주광색의 백색광을 식물 재배 공간(2)에 조사하여 작업용 조명과 함께 해충 방제 효과를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예는 이에 한정되지 않고, 조명 모듈(220)이 작업 모드 시 백색광을 출력하고, 해충 방제 모드 시 610~615nm의 해충 방제용 인공광을 별도로 출력하여 해충 방제 효과를 더욱 높일 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 식물 재배 시설(1)은 지붕면에 태양광 발전과 식물 생장, 해충 방제 및 작업에 필요한 인공 조명을 동시에 제공하고, 태양광의 투과 및 이동이 가능한 형태로 복수의 발전형 조명 모듈(200)을 형성함으로써 식물 재배 공간(2)에 태양광을 안정적으로 공급하고, 식물 생장 및 작업의 효율을 향상시키며, 전기 에너지를 절감시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 식물 재배 시설 2: 식물 재배 공간
100: 지지 프레임 200: 발전형 조명 모듈
300: 관리 모듈 400: 에너지 저장 모듈
500: 재배 설비 600: 사용자 단말
700: 계통 전원
100: 지지 프레임 200: 발전형 조명 모듈
300: 관리 모듈 400: 에너지 저장 모듈
500: 재배 설비 600: 사용자 단말
700: 계통 전원
Claims (14)
- 내부에 식물 재배 공간을 포함하는 온실 구조의 지붕면에 형성된 지지 프레임;
상기 지지 프레임에 이동 가능하게 설치되고, 태양광을 흡수하여 전력을 생산하며, 상기 식물 재배 공간에 상기 태양광 및 인공광을 공급하는 복수의 발전형 조명 모듈; 및
상기 식물 재배 공간의 환경을 감지한 환경 감지 정보 및 미리 설정된 환경 제어 정보에 따라 상기 복수의 발전형 조명 모듈 각각을 제어하는 관리 모듈을 포함하고,
상기 발전형 조명 모듈은,
투명 모듈 기판;
상기 투명 모듈 기판의 상면에 제1 접착층을 통해 접착되고, 상기 태양광을 투과하는 광 투과 영역을 제외한 태양 전지 영역 상에서 상기 태양광을 흡수하여 전력을 생산하는 태양전지 모듈; 및
상기 투명 모듈 기판의 하면에 제2 접착층을 통해 접착되고, 상기 식물 재배 공간에 상기 인공광을 공급하는 조명 모듈을 포함하고,
상기 태양전지 모듈은,
상기 태양전지 모듈의 상기 태양전지 영역에서 일정 간격으로 배치되는 복수의 태양 전지 셀을 가지며 상기 복수의 태양 전지 셀 사이에 광 투과 영역을 가지고,
상기 태양전지 모듈의 상기 태양전지 영역에서 태양광 발전을 통해 전력을 생성하여 에너지 저장 모듈 또는 계통 전원 또는 배터리에 전력을 공급하며 상기 태양전지 모듈의 광 투과 영역에서 식물 재배 공간에 자연광을 제공하고,
상기 조명 모듈은,
상기 태양전지 모듈의 상기 태양전지 영역과 중첩하여 상기 에너지 저장 모듈 또는 계통 전원 또는 배터리로부터 전력을 공급받아 상기 식물 재배 공간에 인공광을 제공하는 식물 재배 시설. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 조명 모듈은
430~450nm의 파장대를 갖는 청색광을 출력하는 청색 광원;
650~670nm의 파장대를 갖는 적색광을 출력하는 적색 광원; 및
백색광을 출력하는 백색 광원을 포함하는 식물 재배 시설. - 제6항에 있어서,
상기 백색광은 2500~4000K의 색 온도를 갖는 식물 재배 시설. - 제7항에 있어서, 상기 관리 모듈은
식물 재배 모드 시 상기 복수의 발전형 조명 모듈로부터 상기 적색광, 상기 청색광 및 이들의 조합 중 어느 하나를 출력시키고, 작업 모드 시 상기 복수의 발전형 조명 모듈로부터 상기 백색광을 출력시키는 식물 재배 시설. - 제6항에 있어서, 상기 조명 모듈은
610~615nm의 해충 방제용 인공광을 출력하는 해충 방제용 광원을 포함하는 식물 재배 시설. - 제9항에 있어서, 상기 관리 모듈은
식물 재배 모드 시 상기 복수의 발전형 조명 모듈로부터 상기 적색광, 상기 청색광 및 이들의 조합 중 어느 하나를 출력시키고, 작업 모드 시 상기 복수의 발전형 조명 모듈로부터 상기 백색광을 출력시키고, 해충 방제용 모드 시 상기 해충 방제용 인공광을 출력시키는 식물 재배 시설. - 제1항에 있어서, 상기 관리 모듈은
식물의 종류 별로 표준화된 식물 생장 표준 정보, 상기 환경 감지 정보 및 사용자 단말로부터 수신된 사용자 관리 정보를 기초로 상기 식물 재배 공간 내에 재배되는 식물의 최적 성장 주기 및 성장 환경을 식물 생장 정보로 구축하고, 식물 생장 정보를 이용하여 미리 설정된 주기 별로 상기 환경 제어 정보를 생성하는 식물 재배 시설. - 제11항에 있어서,
상기 식물 재배 공간 내에 설치되는 재배 설비를 더 포함하고,
상기 관리 모듈은
상기 환경 감지 정보, 상기 환경 제어 정보, 상기 복수의 발전형 조명 모듈 및 상기 재배 설비의 제어 상태를 모니터링한 모니터링 정보를 상기 사용자 단말에 제공하는 식물 재배 시설. - 제12항에 있어서, 상기 사용자 단말은
상기 모니터링 정보를 기초로 상기 복수의 발전형 조명 모듈 및 상기 재배 시설을 관리하는 상기 사용자 관리 정보를 생성하여 상기 관리 모듈에 전송하는 식물 재배 시설. - 제1항에 있어서, 상기 관리 모듈은
기본 모드로 동작하여 미리 설정된 시간마다 상기 복수의 발전형 조명 모듈 각각을 일정 방향으로 이동시키고, 상기 식물 재배 공간의 내부 일조량이 미리 설정된 최소 일조량 이하이면 이동 중지 모드로 동작하여 상기 복수의 발전형 조명 모듈 각각의 이동을 중지시키고, 상기 식물 재배 공간의 내부 일사량이 미리 설정된 최대 일사량 이상이면 차광막 모드로 동작하여 상기 복수의 발전형 조명 모듈 각각을 차광막으로 동작시키는 식물 재배 시설.
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| KR1020210003101A KR102575203B1 (ko) | 2021-01-11 | 2021-01-11 | 식물 재배 시설 |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR1020210003101A KR102575203B1 (ko) | 2021-01-11 | 2021-01-11 | 식물 재배 시설 |
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| KR20220101266A KR20220101266A (ko) | 2022-07-19 |
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2021
- 2021-01-11 KR KR1020210003101A patent/KR102575203B1/ko active IP Right Grant
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