KR102664610B1 - 에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템에 관한 것으로, 에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템의 시설 내외부의 온도, 시설 내부의 작물 주변을 둘러싼 포켓부의 내부 이산화탄소 농도, 및 태양광과 인공조명의 광 스펙트럼을 검출하는 센서부; 작물에 각기 다른 파장의 빛을 조사하는 복수의 조명에 대한 온오프와 휘도를 각기 제어하는 인공조명 조절부; 시설 외부의 공기와 내부의 공기를 교환하는 환기 동작을 수행하는 공조부; 작물의 광합성을 위한 이산화탄소를 공급하되, 상기 작물에 분사된 이산화탄소를 회수한 후 신선한 공기와 지정된 적정 농도를 맞추기 위한 이산화탄소를 추가로 혼합하여 상기 작물에 재분사 하는 이산화탄소 분사부; 및 상기 센서부를 통해 검출한 정보를 바탕으로 작물별 생장 단계에 따라 상기 이산화탄소 분사부, 상기 공조부 및 상기 인공조명 조절부를 제어하는 제어부;를 포함한다.

Description

에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템{ENERGY SAVING SMART PLANT FACTORY SYSTEM}
본 발명은 에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 식물이나 작물의 종류별 생육 단계에 따라 적합한 재배 환경을 제공하면서 이 때 소모되는 에너지를 절감할 수 있도록 하는, 에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 식물공장에는 식물에 광을 조사하는 엘이디 조명장치가 설치된다. 엘이디 조명장치에는 엘이디광을 고르게 확산시키도록 확산판이 적용된다. 엘이디 조명장치에서 조사되는 엘이디광은 식물이 생장하는 시기, 개화시기 및 열매를 맺을 시기에 영향을 미친다. 또한, 식물에는 일조시간이 긴 장일식물과, 일조시간이 짧은 단일식물이 있다. 식물은 종류별로 일조시간을 감지하여 꽃이 피는 시기가 다르다.
그러나, 종래의 엘이디 조명장치에는 엘이디광을 고르게 분사하도록 확산판이 적용되므로, 엘이디광의 투과율이 감소됨에 따라 광출력이 저하된다. 따라서, 에너지 손실이 발생되고, 식물의 생장 저하가 발생된다.
또한, 엘이디광이 식물의 잎에 직접 조사됨에 따라 식물의 엽온(잎의 온도)이 상승되고, 식물이 엽온의 상승되는 것을 방지하도록 잎의 상대습도를 증가시키게 된다. 따라서, 식물의 증산작용이 저하됨에 따라 광합성 능력이 저하될 수 있다. 나아가, 식물이 영양분을 빨아들이는 능력이 현저히 저하됨에 따라 식물의 생장이 억제될 수 있는 문제점이 있다.
이에 따라 전력소모량을 감소시키고, 용이하게 설치할 수 있고, 식물의 엽온 상승을 방지하며, 화재의 위험성을 제거할 수 있는 식물공장용 조명장치가 필요한 상황이다.
또한 일반적으로 식물이나 작물의 재배는 토양에 심은 종자에 비료와 물을 주고, 태양광에 의해 식물 내에서 일어나는 광합성을 이용하는 방식으로 이루어진다.
그런데 이러한 재배 방법은 기후의 변화가 생산량에 영향을 미칠 뿐 아니라, 비료나 농약의 사용으로 인한 비용 문제와 환경 문제가 발생하게 된다. 또한, 식물을 재배하는 데 오랜 시간이 걸리기 때문에 소비자의 수요에 비해 생산량이 따라가지 못하고 있다.
이에 따라 최근에는 식물 재배 시설(예 : 스마트 온실, 식물공장 등) 내에서 식물이나 작물의 성장에 영향을 미치는 온도, 광, CO2, 배양액 등의 환경조건을 최적의 상태로 제어하고, 작업공정을 자동화하여 기상조건에 관계없이 작물을 지속적으로 재배할 수 있는 식물공장을 이용한 작물 재배방식이 활성화되고 있다.
그런데 이러한 대부분의 시설(예 : 스마트 온실, 식물공장 등)은, 유지 및 관리에 에너지 비용(즉, 재배 비용)이 많이 소모되는 시스템이기 때문에 그 에너지 비용 이상의 수익을 얻을 수 있는 작물(예 : 특용 작물이나 일반적으로 재배되지 않는 작물)이 재배되고 있다.
따라서 이러한 시설(예 : 스마트 온실, 식물공장 등)에서 특용 작물 이외의 일반 작물(예 : 바질, 상추, 가지, 딸기, 파, 토마토, 꽃 등) 등으로 재배 작물(또는 식물)의 종류를 증가시키기 위해서는 에너지 비용(즉, 재배 비용)의 절감이 필요한 상황이다.
예컨대 재배 작물(또는 식물)의 생장률을 증가시켜 빠른 시간 내에 목표한 생육 단계에 도달하게 함으로써 에너지 비용을 절감할 수 있으며, 상기 시설(예 : 스마트 온실, 식물공장 등)의 주변 환경(예 : 광량, 온도, 습도 등)을 반영하여 인공조명(예 : LED 조명)이나 공조기 등의 작동 시간을 줄임으로써 에너지 비용을 절감할 수 있으며, 또한 작물(또는 식물)의 재배 중 죽는 개체가 발생하지 않고 가능한 한 많은 개체가 출하 전까지 건강하게 생육되게 함으로써 에너지 비용(또는 작물 한 개체 당 에너지 비용)을 절감할 수 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허 10-2014-0030812호(2014.03.12. 공개, 온실의 온습도 제어 시스템 및 그 제어 방법)에 개시되어 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 식물이나 작물의 종류별 생육 단계에 따라 적합한 재배 환경을 제공하면서 이 때 소모되는 에너지를 절감할 수 있도록 하는, 에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템은, 에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템의 시설 내외부의 온도, 시설 내부의 작물 주변을 둘러싼 포켓부의 내부 이산화탄소 농도, 및 태양광과 인공조명의 광 스펙트럼을 검출하는 센서부; 작물에 각기 다른 파장의 빛을 조사하는 복수의 조명에 대한 온오프와 휘도를 각기 제어하는 인공조명 조절부; 시설 외부의 공기와 내부의 공기를 교환하는 환기 동작을 수행하는 공조부; 작물의 광합성을 위한 이산화탄소를 공급하되, 상기 작물에 분사된 이산화탄소를 회수한 후 신선한 공기와 지정된 적정 농도를 맞추기 위한 이산화탄소를 추가로 혼합하여 상기 작물에 재분사 하는 이산화탄소 분사부; 및 상기 센서부를 통해 검출한 정보를 바탕으로 작물별 생장 단계에 따라 상기 이산화탄소 분사부, 상기 공조부 및 상기 인공조명 조절부를 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템은, 작물에 조사되는 태양광을 산란시키는 태양광 산란 조절부;를 더 포함하고, 상기 태양광 산란 조절부는, 투과형 지지체의 일 측면에 투명한 소재로 일 측이 볼록한 반구 형태로 형성된 복수의 산란체가 일정 패턴으로 부착되어 형성되며, 상기 투과형 지지체의 양 측에 부착된 전동 모터 중 어느 한 전동모터의 구동에 의해 상기 투과형 지지체를 당겨 감거나 당겨 펼치도록 구현되고, 상기 제어부가, 상기 작물별 생장 단계에 따라 상기 태양광 산란 조절부를 추가로 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템은, 상기 에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템의 시설 내부에서 각 작물이 심겨있는 트레이를 돔 형태로 둘러싸는 포켓부;를 더 포함하며, 상기 포켓부는, 내부의 공기나 이산화탄소가 외부로 배출되지 않도록 막는 역할을 수행하는 투명한 막으로 형성되고, 상기 포켓부 내부에는 포켓부 내부의 공기를 순환시키기 위한 팬(FAN)이 형성되고, 상기 포켓부 내부의 이산화탄소가 혼합된 공기를 회수하기 위한 공기 회수구가 형성되며, 상기 트레이의 상부에는 이산화탄소가 혼합된 물을 분사하는 물 분사부와 이산화탄소가 혼합된 공기를 분사하는 에어 출력부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 공기 회수구를 통해 포켓부에서 회수된 공기에 포함된 이산화탄소의 농도를 바탕으로 작물별 생장 단계에 따라 유지해야 할 적정량의 지정된 이산화탄소의 농도에서 부족한 이산화탄소의 농도를 산출하고, 상기 부족한 이산화탄소의 농도에 대응하여 상기 포켓부에 공급할 이산화탄소량을 산출하고, 상기 산출한 이산화탄소량을 이산화탄소 혼합부를 통해 물 또는 공기 배관에 혼합하여 상기 포켓부 내부에 분사 방식으로 공급하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템의 시설에서 재배되는 작물에 조사되고 있는 태양광의 스펙트럼을 검출하고, 작물별 생장 단계에 대응하여 미리 지정된 최적 조명 스펙트럼 정보를 룩업 테이블에서 인출하며, 상기 태양광의 스펙트럼 정보를 바탕으로, 태양광의 세기가 재배 작물의 생장 단계에 대응하여 미리 지정된 최적 조명 스펙트럼 정보를 만족하지 않는 경우, 작물의 생장 단계에 대응하여 미리 지정된 최적 조명 스펙트럼을 갖는 인공조명만 선택적으로 구동하여 태양광과 인공조명이 합성된 조명을 작물에 조사하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템의 시설에서 재배되는 작물에 조사되고 있는 태양광의 스펙트럼을 검출하고, 태양광의 조사 강도가 시설에서 재배되고 있는 작물별 생장 단계에 대응하여 미리 지정된 최적 조사 강도를 초과하는 경우, 태양광 산란 조절부를 구동하여 상기 태양광을 산란시킨 후 작물에 조사되게 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 작물별 생장 단계에 대응하여 미리 지정된 최적 이산화탄소 농도 정보를 룩업 테이블에서 인출하고, 상기 센서부를 통해 포켓부 내부의 이산화탄소 농도를 검출하며, 지정된 물 분무 시간인 경우, 미리 지정된 온도로 조정된 물에 미리 지정된 최적 이산화탄소 농도를 유지하기 위하여 산출된 양의 이산화탄소를 혼합하여 작물의 잎에 분무하고, 지정된 물 분무 시간이 아닌 경우, 미리 지정된 온도로 조정된 공기에 미리 지정된 최적 이산화탄소 농도를 유지하기 위하여 산출된 양의 이산화탄소를 혼합하여 포켓부의 상부에서 작물의 잎에 분사하며, 상기 포켓부 내부에 설치된 적어도 하나 이상의 팬(FAN)을 구동하여 상기 포켓부 내부의 공기를 순환시키면서 작물의 잎이 흔들리게 하고, 상기 포켓부 내부의 이산화탄소가 포함된 공기를 회수하여 상기 포켓부 내부의 이산화탄소 농도를 검출하고, 작물을 재배하는 동안 작물별 생장 단계에 따라 상기 이산화탄소 농도 검출과 상기 이산화탄소 분사를 반복해서 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 식물이나 작물의 종류별 생육 단계에 따라 적합한 재배 환경을 제공하면서 이 때 소모되는 에너지를 절감할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광을 유도하는 식물공장용 조명장치를 개략적으로 도시한 예시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 식물공장용 조명장치에서 집광부, 광가이드부 및 광조사부에서 태양광의 진행 상태를 개략적으로 도시한 예시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 식물공장용 조명장치에서 집광부와 광가이드부를 개략적으로 도시한 예시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 식물공장용 조명장치에서 광가이드부의 일 예를 개략적으로 도시한 단면 예시도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 식물공장용 조명장치에서 광가이드부의 다른 예를 개략적으로 도시한 단면 예시도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 식물공장용 조명장치에서 집광부와 광가이드부의 설치 구조에 관한 일 예를 개략적으로 도시한 예시도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 식물공장용 조명장치에서 집광부와 광가이드부의 설치 구조에 관한 다른 예를 개략적으로 도시한 예시도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 식물공장용 조명장치에서 집광부에서 태양광의 광초점이 조절되는 상태를 개략적으로 도시한 예시도.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 식물공장용 조명장치에서 조명부를 개략적으로 도시한 예시도.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템의 개략적인 구성을 보인 예시도.
도 11은 상기 도 10에 있어서, 태양광 산란 조절부와 공조부의 보다 구체적인 구성을 설명하기 위하여 보인 예시도.
도 12는 상기 도 10에 있어서, 이산화탄소 분사부의 개략적인 구성을 설명하기 위하여 보인 예시도.
도 13의 (a)는 상기 도 10에 있어서, 이산화탄소 농도가 일정할 때 빛과 온도에 따른 광합성속도(상대값)를 보인 그래프.
도 13의 (b)는 상기 도 10에 있어서, 빛의 강도와 이산화탄소 농도에 따른 광합성속도(상대값)를 보인 그래프.
도 14는 상기 도 10에 있어서, 태양광의 세기(intensity)에 따라 작물별 생장 단계에 적합한 세기와 파장의 인공조명을 합성하는 방법을 설명하기 위하여 보인 예시도.
도 15는 본 발명의 제1 실시예에 따른 에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 16은 본 발명의 제2 실시예에 따른 에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 17은 본 발명의 제3 실시예에 따른 에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템의 일 실시예를 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 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 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광을 유도하는 식물공장용 조명장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 식물공장용 조명장치에서 집광부, 광가이드부 및 광조사부에서 태양광의 진행 상태를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 식물공장용 조명장치에서 집광부와 광가이드부를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 식물공장용 조명장치에서 광가이드부의 일 예를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 식물공장용 조명장치에서 광가이드부의 다른 예를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 식물공장용 조명장치에서 집광부와 광가이드부의 설치 구조에 관한 일 예를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 식물공장용 조명장치에서 집광부와 광가이드부의 설치 구조에 관한 다른 예를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 식물공장용 조명장치에서 집광부에서 태양광의 광초점이 조절되는 상태를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 식물공장용 조명장치에서 조명부를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 식물공장은 편의상 식물공장으로 간단히 기재할 수도 있다.
도 1 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 식물공장용 조명장치(100)는 집광부(110), 광가이드부(120), 광조사부(130) 및 조명부(140)를 포함한다.
식물공장(10)에서는 다양한 식물이 재배될 수 있다. 식물공장(10)의 실내는 재배 식물에 적합하도록 온도, 습도, 조도, 일조시간 등이 유지된다. 식물공장용 조명장치(100)는 식물공장(10)에서 재배되는 식물의 종류, 식물의 생장 단계에 적합하게 식물공장(10)의 실내 조도 및 일조시간 등을 조절한다.
식물의 생육에 커다란 영향을 미치는 광선의 요소로는 광도(light intensity), 광질(light quality) 및 광주시기성(photoperiodism) 등이 있다. 또한, 가시광선은 380-430nm의 자색광, 430-470nm의 청색광, 500-560nm의 녹색광, 650-760nm의 적색광을 포함한다. 가시광선은 특정 범위 내에서 광선의 광도와 광량을 제공한다. 태양광 중 가시광선은 대부분의 가시범위에 걸쳐서 높은 광에너지를 공급한다.
식물의 생육에 영향을 미치는 주요한 작용스펙트라(spectra)에는 광합성과 엽록소형성을 위한 것이 있다. 광합성의 최대율은 적색광의 670nm에서 일어나며, 엽록소형성의 최대치는 적생광의 655nm에서 일어난다. 그 다음번 최대율과 최대치는 청색광 영역에서 일어난다. 따라서, 적색광 영역의 광원이 대부분의 식물의 생육에 더욱 도움을 줄 수 있다.
집광부(110)는 태양광을 집광한다. 광가이드부(120)는 집광부(110)에서 집광된 태양광을 전송한다. 광조사부(130)는 광가이드부(120)에서 전송되는 태양광을 식물공장(10)의 내부에 조사한다. 조명부(140)는 광조사부(130)에서 조사되는 태양광의 출력에 따라 조명광의 조도를 조절한다. 식물공장(10)에는 광조사부(130)에서 조사되는 광의 조도를 측정하는 조도 측정부(102)와, 조도 측정부(102)에서 송신된 신호를 수신하여 조명부(140)의 조도를 조절하도록 조명부(140)를 제어하는 제어부(104)가 설치된다. 제어부(104)에는 식물의 종류 및 생장 단계 등에 대응되는 조도와 일조시간 등이 미리 설정된다.
광조사부(130)에서 조사되는 태양광의 출력에 따라 조명부(140)의 조도가 조절되므로, 식물공장(10)에서 재배되는 식물의 종류와 생장 단계에 적합하게 식물공장(10)의 조도가 조절될 수 있다. 또한, 광조사부(130)가 태양광을 식물에 조사하므로, 태양광 중에서 파장이 상대적으로 긴 적색광 계통의 광이 식물에 조사될 수 있다. 따라서, 식물의 엽온(잎의 온도)이 잎의 증산작용을 촉진시킬 정도로 유지되고, 엽온이 과도하게 상승되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 태양광의 조도가 부족한 경우 조명부(140)가 조명광을 조사하여 조도를 보충하므로, 식물공장(10)에서 사용되는 소비전력을 현저히 감소시킬 수 있다.
광가이드부(120)는 자유롭게 굽힐 수 있도록 플라스틱 재질로 형성되고, 태양광을 길이방향을 따라 전송하는 단면광코어부(121)와, 단면광코어부(121)를 둘러싸도록 설치되는 피복부(123)를 포함한다. 단면광코어부(121)로는 길이방향으로 광을 전송하는 광섬유가 적용된다. 단면광코어부(121)는 하나의 광섬유로 구성되거나, 복수의 광섬유를 포함하는 광섬유 다발로 구성될 수 있다. 피복부(123)는 외부의 이물질이 단면광코어부(121)를 오염시키는 것을 방지한다.
단면광코어부(121)가 자유롭게 굽힐 수 있도록 플라스틱 재질로 형성되므로, 광가이드부(120)를 자유롭게 굽히더라도 단면광코어부(121)가 손상되거나 파손되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 광가이드부(120)가 식물공장(10)에 용이하게 설치될 수 있다.
만약, 단면광코어부(121)가 유리광섬유나 도파관으로 제작되는 경우, 광가이드부(120)를 굽히면 유리광섬유가 파손되거나 끊어짐에 따라 광통로 역할을 수행할 수 없게 된다. 따라서, 설치 편의성의 측면을 고려하면 광가이드부(120)에 유리광섬유를 적용하기는 어렵다. 또한, 단면광코어부(121)가 유리광섬유나 도파관으로 제작되는 경우, 식물농장용 조명장치(100)의 설치 비용이 현저히 증가될 수 잇다.
집광부(110)는 태양광을 단면광코어부(121)에 집광시키는 프레넬 렌즈부(111)(Fresnel Lens)를 포함한다. 프레넬 렌즈부(111)는 태양광을 좁은 영역(광초점)으로 모아주는 렌즈를 의미한다. 프레넬 렌즈부(111)는 합성수지 재질로 형성될 수 있다. 프레넬 렌즈부(111)가 합성수지 재질로 형성되므로, 프레넬 렌즈부(111)의 무게를 감소시키고, 외력이나 외부 충격 등에 의해 프레넬 렌즈부(111)가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
집광부(110)는 프레넬 렌즈부(111)와 광가이드부(120)의 단부 사이의 거리를 조절하도록 설치되는 광량 조절부(113)를 더 포함한다. 광량 조절부(113)가 프레넬 렌즈부(111)와 광가이드부(120)의 단부 사이의 거리를 조절하므로, 광가이드부(120)에 입사되는 광의 에너지량을 조절할 수 있다.
예를 들면, 태양광의 광도가 높은 맑은 날의 경우, 프레넬 렌즈부(111)의 광초점이 광가이드부(120)의 단부에서 이탈되도록 프레넬 렌즈부(111)가 이동됨에 따라 광가이드부(120)에 입사되는 태양광 에너지의 입사량을 감소시킬 수 있다. 또한, 태양광의 광도가 낮은 흐린 날의 경우, 프레넬 렌즈부(111)의 광초점이 광가이드부(120)의 단부에 위치되도록 프레넬 렌즈부(111)가 이동됨에 따라 광가이드부(120)에 입사되는 태양광 에너지의 입사량을 감소시킬 수 있다. 또한, 태양광 에너지가 높은 경우, 프레넬 렌즈부(111)의 광초점이 광가이드부(120)의 단부에서 이탈되므로, 광가이드부(120)의 온도가 과도하게 상승되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 광가이드부(120)가 태양광 에너지에 의해 손상되거나 화재가 발생되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 광량 조절부(113)가 광가이드부(120)의 집광 온도를 적절하게 조절하므로, 프레넬 렌즈부(111)와 광가이드부(120) 사이에 열차단 필름을 설치하지 않아도 된다. 따라서, 열차단 필름의 의해 태양광의 적색광이 차단되는 것을 방지함으로써, 식물의 생육 조건을 보다 적합하게 유지할 수 있다.
집광부(110)는 광가이드부(120)의 단부의 온도를 측정하도록 설치되는 온도 감지부(115)를 더 포함한다. 온도 감지부(115)로는 광가이드부(120)의 단부에 매립되는 온도센서부 또는 빔을 조사하여 광가이드부(120)의 단부 온도를 비접촉식으로 측정하는 광센서부가 적용될 수 있다. 온도 감지부(115)가 광가이드부(120)의 단부 온도를 측정하여 제어부(104)에 온도에 관한 신호를 송신하고, 제어부(104)는 수신된 온도 신호에 따라 프레넬 렌즈부(111)의 위치를 조절하도록 광량 조절부(113)를 제어한다. 따라서, 광가이드부(120)에 입사되는 태양광 에너지를 조절하고, 광가이드부(120)에서 화재가 발생되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제어부(104)는 온도 감지부(115)에서 측정되는 온도에 따라 광가이드부(120)에 입사되는 태양광을 추적함으로써, 태양광의 광도가 과도한 경우 태양광의 초점이 광가이드부(120)에 집중되는 것을 방지할 수 있다.
광가이드부(120)는 복수 개가 배치되고, 프레넬 렌즈부(111)는 복수의 광가이드부(120)에 일대일 대응되게 설치될 수 있다. 이때, 프레넬 렌즈부(111)마다 하나씩의 광량 조절부(113)가 설치될 수 있다. 따라서, 광가이드부(120)의 집광 온도나 태양광 에너지의 입사량에 따라 복수의 프레넬 렌즈부(111)를 개별적으로 제어할 수 있다.
광가이드부(120)는 복수 개가 배치되고, 프레넬 렌즈부(111)는 복수의 광가이드부(120)에 대응되도록 1개 설치될 수 있다. 이때, 프레넬 렌즈부(111)에는 하나의 광량 조절부(113)가 설치된다. 따라서, 광가이드부(120)의 집광 온도나 태양광 에너지의 입사량을 일괄적으로 제어하고, 식물공장용 조명장치(100)의 설치 비용을 감소시킬 수 있다.
광조사부(130)는 광가이드부(120)에서 전송되는 태양광을 측면방향(반경방향)으로 조사하는 측면광코어부(131)를 포함한다. 광조사부(130)는 식물공장(10)의 상측에 복수 열로 배열될 수 있다. 측면광코어부(131)는 하나의 광섬유로 구성되거나 광섬유 다발로 이루도록 구성될 수 있다. 또한, 광조사부(130)는 하나의 광가이드부(120)마다 하나씩 연결되거나 복수 개씩 연결될 수 있다. 광조사부(130)가 태양광을 측면방향으로 조사하므로, 식물공장(10)에서 재배되는 식물에 태양광을 고르게 조사할 수 있다.
식물공장용 조명장치(100)는 일조시간을 조절하도록 광조사부(130)에 전송되는 태양광을 차단하는 광차단부(150)를 더 포함한다. 광차단부(150)는 프리넬 렌즈부(111)마다 배치될 수 있다. 광차단부(150)는 프레넬 렌즈부(111)의 태양광 입사측, 프레넬 렌즈부(111)와 광가이드부(120) 사이, 광가이드부(120)와 광조사부(130)의 연결부위 중 어느 하나에 위치될 수 있다. 광차단부(150)가 태양광을 차단하도록 제어되는 경우, 조명부(140) 역시 조명광의 조사를 중단하도록 제어된다. 광차단부(150)가 광조사부(130)에 전송되는 태양광을 차단하여 일조시간을 조절하므로, 식물의 종류나 식물의 생장단계에 적합하도록 일조시간을 조절할 수 있다.
광차단부(150)는 집광부(110)의 일측에 배치되는 광차단 패널부(151)와, 광차단 패널부(151)를 이동시키도록 설치되는 패널 이동부(153)를 포함한다. 태양광이 식물에 공급될 필요가 있는 경우, 패널 이동부(153)는 광차단 패널부(151)를 집광부(110)와 광가이드부(120) 사이에서 벗어나도록 이동시킨다. 일조시간을 조절하기 위해 태양광이 차단될 필요가 있는 경우, 패널 이동부(153)는 광차단 패널부(151)를 집광부(110)와 광가이드부(120) 사이로 이동시킨다.
조명부(140)는 엘이디광을 조사하는 복수의 엘이디부(141)와, 복수의 엘이디부(141)가 실장되는 엘이디 기판부(143)를 포함한다. 충분한 태양광 에너지가 광조사부(130)를 통해 식물에 조사되는 경우, 조명부(140)는 엘이디광의 조사량을 감소시키도록 제어될 수 있다. 또한, 광조사부(130)에서 태양광 에너지의 조사량이 부족한 경우, 조명부(140)는 엘이디광의 조사량을 증가시키도록 제어될 수 있다. 따라서, 광조사부(130)에서 조사되는 태양광 에너지에 따라 조명부(140)가 광에너지를 보충하므로, 식물공장용 조명장치(100)에 사용되는 전력소모량을 현저히 감소시킬 수 있다.
한편 상기 실시예에서 식물공장은 집광부(110)를 통해 집광(수집)된 태양광을 광가이드부(120)를 통해 식물공장 내부로 유도시킨 후, 광조사부(130)를 통해 상기 유도시킨 태양광을 식물에 조사할 수 있도록 한다. 즉, 태양광 유도조명을 사용하여 태양광이 도달하지 못하는 위치의 식물에도 태양광이 조사될 수 있도록 한다. 하지만 식물공장의 최상층이나 일부 벽면은 유리 형태로 구성하여 태양광이 식물공장 내부 전체에 조사되게 구현될 수도 있다. 또한 본 발명에 따른 실시예들은 식물공장에 한정되는 것은 아니며, 스마트 온실 시스템에도 적용될 수 있음에 유의한다.
또한 상기 실시예에서 각 구성요소에 대한 명칭이나 도면부호는 설명의 편의를 위해서 이하 다른 실시예에서 일부 변경될 수 있다. 예컨대 상기 제어부(104)는 이하 다른 실시예에서는 제어부(250)로 기재할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템의 개략적인 구성을 보인 예시도이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템은, 센서부(210), 인공조명 조절부(220), 태양광 산란 조절부(230), 공조부(240), 제어부(250), 통신부(260), 및 이산화탄소 분사부(270)을 포함한다.
상기 이산화탄소 분사부(270)는 이산화탄소 혼합부(271), 물 분사부(272), 에어 출력부(273), 및 이산화탄소 회수부(274)를 포함한다.
상기 센서부(210)는 에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템의 시설 내부 및 외부의 온도, 시설의 내외부와 주변 습도 및 작물이 심겨있는 토양의 습도, 조도(광량), 시설 내부(특히 작물 주변을 둘러싼 포켓부의 내부)의 이산화탄소 농도, 태양광 및 인공조명(예 : LED 조명)의 광 스펙트럼 중 적어도 하나 이상을 검출할 수 있는 센서를 포함한다.
상기 인공조명 조절부(220)는 재배작물의 상부에서 각기 다른 파장의 광(빛)을 조사하는 복수의 조명(예 : LED)에 대한 온오프 및 휘도를 조절한다.
상기와 같이 파장이 다른 조명을 사용하는 이유는 재배작물에 따라서 생장에 유효한 파장대가 다르기 때문이다.
기본적으로 태양광은 모든 파장대의 광이 복합적으로 조사되지만, 인공조명을 사용할 경우에는 에너지를 소모해야 되기 때문에 재배작물의 생장에 유효하지 않은 파장대의 광을 조사하는 조명을 구동할 필요가 없다.
상기 태양광 산란 조절부(230)는 에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템의 시설의 투명한 지붕이나 투명한 벽면을 통해 투과되는 태양의 직사광선이 재배작물에 조사되는 것을 방지하기 위하여 태양광을 산란시킨다.
또한 상기 태양광 산란 조절부(230)는 상기 광조사부(130) 또는 조명부(140)의 전면에도 장착될 수 있다. 이 때 상기 태양광 산란 조절부(230)의 형태는 상기 광조사부(130) 또는 조명부(140)의 형태에 대응하여 변경될 수 있다.
이 때 상기 산란을 통해 흩어지는 광의 파장이나 초당 진동수는 산란되기 전의 본래의 광과 같다.
따라서 상기 산란은 필름(또는 필터)을 통해 빛의 투과를 차단시키는 것과는 다르며, 또한 차단막을 통해 그늘을 만드는 것과도 다름에 유의한다.
즉, 상기 산란은 모든 파장대의 광이 투과되어 재배작물에 조사되게 하면서 광의 세기를 조절할 수 있도록 하는 방식이다.
다만 상기 태양광의 산란을 위해서 고비용의 에너지를 소모하는 방식은 식물공장 시스템의 설치비용이나 운용비용을 상승시키는 문제점이 있기 때문에 본 실시예에서는 최초 설치 후에는 운용비용의 발생을 최소화시키는 장점이 있다.
상기와 같이 태양광의 산란이 필요한 이유는 재배작물에 따라서는 직사광선을 받을 경우, 이 때 발생하는 열이나 광의 세기가 너무 높아 오히려 생장에 적합하지 않기 때문이다. 따라서 광의 산란을 통해 광의 세기는 줄이면서 생장에 적합한 파장의 광들을 재배작물에 조사함으로써 재배작물을 건강하게 하면서 생장을 촉진시키기 위한 것이다. 또한 식물공장 시스템의 에너지를 절감하기 위해서라도 태양광을 이용하는 것이 바람직하다.
도 11은 상기 도 10에 있어서, 태양광 산란 조절부와 공조부의 보다 구체적인 구성을 설명하기 위하여 보인 예시도로서, 이에 도시된 바와 같이, 상기 태양광 산란 조절부(230)는 에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템의 시설의 투명한 지붕이나 투명한 벽면의 내측에 설치된다.
상기 태양광 산란 조절부(230)는 투과형 지지체(예 : 투명 비닐막)의 일 측면에 투과형 산란체(예 : 구슬이 반으로 쪼개진 것처럼, 투명한 소재로 일 측이 볼록한 반구 형태로 형성된 복수의 산란체)가 일정 패턴으로 부착되어 형성된다. 그리고 상기 투과형 지지체의 양 측에 부착된 전동 모터 중 어느 한 전동모터의 구동에 의해 상기 투과형 지지체를 당겨 감거나 당겨 펼치도록 구현된다.
예컨대 상기 제어부(250)는 태양광의 산란이 필요할 경우에는 상기 투과형 산란체가 부착된 상기 투과형 지지체를 지정된 길이만큼 당겨 펼치고, 태양광의 산란이 필요하지 않을 경우에는 상기 투과형 산란체가 부착된 상기 투과형 지지체를 당겨 감는다. 따라서 상기 태양광 산란 조절부(230)을 운용할 때 당겨 감거나 당겨 펼칠 때 전동 모터를 구동하는 에너지만 필요하므로 에너지 소모가 최소화되는 장점이 있다.
상기 공조부(240)는 시설 외부의 공기를 시설 내부로 유입시키거나, 시설 내부의 공기를 시설 외부로 배출시키는 일종의 환기 동작(즉, 시설 외부의 공기와 시설 내부의 공기를 교환하는 환기 동작)을 수행한다(도 11 참조).
예컨대 상기 제어부(250)는 시설 내부의 환경(예 : 온도, 습도, 먼지, 가스 등)와 시설 외부의 환경(예 : 온도, 습도, 먼지, 가스 등)을 비교하여 시설 내부를 재배작물의 생육에 적합한 상태로 유지시키기 위하여, 시설 외부의 공기를 시설 내부로 유입시키거나, 시설 내부의 공기를 시설 외부로 배출시키는 일종의 환기 동작을 수행한다.
도 11을 참조하면, 상기 공조부(240)는 필터(예 : 헤파필터)를 중심으로 그 양측에 팬(FAN)이 각기 밀착되는 형태로 형성된다.
상기 제어부(250)는 시설 외부의 공기를 시설 내부로 유입시키거나, 시설 내부의 공기를 시설 외부로 배출시키는 일종의 환기 동작을 수행하기 위하여, 팬(FAN)의 구동 방향과 구동 세기를 제어한다. 이 때 상기 환기 동작 중 필터에 의해 먼지를 걸러냄으로써 식물공장 시스템의 시설 내부를 청정 상태로 유지한다.
상기 통신부(260)는 무선 통신 방식으로 지정된 단말기(예 : 게이트웨이, 휴대 단말기, 컴퓨터 등)와 통신하여, 상기 지정된 단말기의 사용자가, 식물공장 시스템을 원격 제어하거나 식물공장 시스템의 내부 상태를 모니터링 할 수 있게 한다.
상기 이산화탄소 분사부(270)는 재배작물의 생장(특히 광합성)에 필요한 이산화탄소를 지정된 농도에 맞춰 분사한다. 즉, 이미 잘 알려진 바와 같이 작물(또는 식물)이 생장하기 위해서는 광(빛), 토양(물과 영양), 및 이산화탄소(CO2)가 필요하다. 그런데 상기 생장 요소들을 작물(또는 식물)별 생장 단계에 따라 필요한 적정량을 공급하지 않고 과부족 상태가 되게 공급할 경우에는 생장이 촉진되는 것이 아니라 오히려 작물이 마르거나 물러서 죽이게 되는 문제점이 발생한다.
따라서 식물공장 시스템에서 작물(또는 식물)을 재배한다는 것은 작물(또는 식물)별 생장 단계에 따라 필요한 적정량의 생장 요소(예 : 광, 토양, 이산화탄소)를 공급하는 것이 중요하다.
이에 더하여 작물의 주변 온도와 주변 습도 및 작물에 공급하는 물의 온도를 조절하는 것도 중요하다.
이에 따라 본 실시예에서는 작물(또는 식물)별 생장 단계에 따라 필요한 적정량의 생장 요소(예 : 광, 토양, 이산화탄소)를 찾아 공급하되, 이 때 소모되는 에너지와 작물 재배 비용을 절감할 수 있는 방법을 제공한다. 즉, 본 실시예는 단순히 작물(또는 식물)에 생장 요소(예 : 광, 토양, 이산화탄소)를 공급하고자 하는 것이 아니라, 생장 촉진에 필요한 적정량의 생장 요소(특히 이산화탄소)를 공급하되, 이 때 소모되는 에너지와 작물 재배 비용도 절감할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
상기 이산화탄소 분사부(270)는 작물(또는 식물)에 생장 요소(예 : 광, 토양, 이산화탄소) 중 이산화탄소를 적정량으로 지정된 이산화탄소를 공급하되, 이 때 공급된 이산화탄소를 다시 회수하여 재활용함으로써 에너지와 재배비용을 절감할 수 있도록 한다.
또한 상기 이산화탄소 분사부(270)는 적정량으로 지정된 이산화탄소를 단순 공급하는 것이 아니라, 작물(또는 식물)의 생장 특성에 맞게 물에 혼합하여(녹여) 분무(또는 분사)하거나 에어(공기)에 혼합하여 분사하고, 이산화탄소를 다시 회수하여 분사함으로서 작물(또는 식물)에 지속적인 이산화탄소를 공급하면서도 이산화탄소의 소모를 절감할 수 있도록 한다(도 12 참조).
도 12는 상기 도 10에 있어서, 이산화탄소 분사부의 개략적인 구성을 설명하기 위하여 보인 예시도로서, 본 실시예에 따른 식물공장 시스템의 시설 내부에는 각 작물(또는 식물)의 트레이(다수의 식물들이 심어져 있는 일종의 상자)를 돔 형태로 둘러싸는 포켓부를 구비한다.
상기 포켓부는 투명하면서 내부의 공기(또는 기체)가 외부로 배출되지 않도록 막는 역할을 수행한다(예 : 에어 포켓, 이산화탄소 포켓).
상기 트레이의 상부에는 물 분사부(272)와 에어 출력부(273)이 형성된다.
본 실시예에서는 토양에 직접 물을 공급하는 배관 및 상기 트레이의 상부에 형성되는 인공조명의 형태나 구성에 대한 설명은 생략한다.
상기 포켓부 내부에는 포켓부 내부의 공기를 순환시키기 위한 팬(FAN)이 형성되고, 상기 포켓부 내부의 공기(즉, 이산화탄소가 혼합된 공기)를 회수하기 위한 공기 회수구(미도시)가 형성된다.
상기 공기 회수구(미도시)에는 이산화탄소 회수부(274)가 연결되어 공기 회수 펌프(미도시)를 통해 포켓부 내부의 공기(즉, 이산화탄소가 혼합된 공기)를 회수하고, 센서부(210)을 통해 회수된 공기에 포함된 이산화탄소의 농도를 검출한다.
상기 제어부(250)는 상기 센서부(210)를 통해 검출한 이산화탄소의 농도(즉, 포켓부에서 회수된 공기에 포함된 이산화탄소의 농도)를 바탕으로 포켓부 내부에 유지해야 할 목표 이산화탄소의 농도(즉, 작물별 생장 단계에 따라 필요한 적정량의 지정된 이산화탄소의 농도)에서 부족한 이산화탄소의 농도를 산출한다.
또한 상기 제어부(250)는 상기 부족한 이산화탄소의 농도에 대응하여 포켓부에 공급할 이산화탄소량을 산출하고, 상기 산출한 이산화탄소량을 상기 이산화탄소 혼합부(271)를 통해 물 또는 공기 배관에 혼합한다.
이 때 상기 물은 작물별 생장 단계에 따라 필요한 지정된 온도의 물이며, 상기 공기는 작물별 생장 단계에 따라 필요한 지정된 온도의 공기이다.
특히 상기 공기는 포켓부에서 회수된 공기(즉, 이산화탄소가 혼합된 공기)나 상기 공조부(240)를 통해 외부에서 유입(인입)된 신선한 공기이거나, 이 공기들이 혼합된 공기일 수 있다.
이 때 작물이 광합성 작용을 하면서 발생된 가스가 포켓부 내부에 누적되므로, 주기적으로 신선한 공기를 순환시켜 주어야만 작물이 잘 생장할 수 있다.
따라서 상기 제어부(250)는 주기적으로 회수된 공기(즉, 이산화탄소가 혼합된 공기)에 이산화탄소를 추가하여 포켓부에 공급하면서 또한 주기적으로 신선한 공기에 이산화탄소를 추가하여 포켓부에 공급한다.
다만 본 실시예에 도시된 배관 도면은 동작의 이해를 돕기 위하여 개략적으로 도시된 도면이므로, 실제 배관을 구성할 경우에는 변경될 수 있음에 유의한다.
한편 상기 포켓부 내부의 공기를 순환시키기 위한 팬(FAN)은 복수 개가 설치될 수 있으며, 이는 바람에 의해 작물의 잎을 흔들리게 하여 생장(예 : 뿌리에서의 수분 흡수 및 광합성 작용)을 촉진하고, 공기보다 무거운 이산화탄소가 포켓부 하부에 정체되는 것을 방지하여 포켓부 상부(작물의 잎 주변)로 이동시키기 위한 목적이 있다.
도 13의 (a)는 상기 도 10에 있어서, 이산화탄소 농도가 일정할 때 빛과 온도에 따른 광합성속도(상대값)를 보인 그래프로서, 도 13의 (a)를 참조하면, 온도가 증가하더라도 작물에 조사되는 빛이 약할 경우(예 : 5,000lux)에는 광합성속도가 작고, 온도가 약 30도 부분에서 강한 빛(예 : 20,000lux)이 조사될 경우에 광합성속도가 최대가 되는 것을 알 수 있다.
도 13의 (b)는 상기 도 10에 있어서, 빛의 강도와 이산화탄소 농도에 따른 광합성속도(상대값)를 보인 그래프로서, 도 13의 (b)를 참조하면, 동일한 이산화탄소 농도에서 조사되는 빛이 강할수록(예 : 3,000lux < 7,000lux < 15,000lux) 광합성속도가 증가되며, 이산화탄소의 농도가 증가하더라도 약 0.10% 일 때 광합성속도가 최대가 되는 것을 알 수 있다.
이에 따라 본 실시예는 광합성속도가 최대가 되는 빛의 세기(intensity), 이산화탄소 농도, 및 파장에 대한 정보를 실험을 통해 검출하여, 작물별 생장 단계에 따라, 룩업 테이블 형태로 내부 메모리(미도시)에 저장한다.
도 14는 상기 도 10에 있어서, 태양광의 세기(intensity)에 따라 작물별 생장 단계에 적합한 세기와 파장의 인공조명을 합성하는 방법을 설명하기 위하여 보인 예시도이다.
도 14의 (a)에 도시된 바와 같이, 맑은 날씨에 조사되는 통상적으로 세기가 강한 태양광이 조사될 경우에는 모든 파장대가 강하게 분포된 빛이 조사되므로, 상기 제어부(250)는 작물에 따라 태양광 산란 조절부(230)를 통해 산란양만 조절하면 된다.
그러나 도 14의 (b)에 도시된 바와 같이, 흐린 날씨에 조사되는 세기가 약한 태양광이 조사될 경우에는 모든 파장대가 약하게 분포된 빛이 조사되므로, 상기 제어부(250)는 작물별 생장 단계에 적합한 세기와 파장의 인공조명을 합성한다. 즉, 태양광에 추가로 인공조명을 작물에 조사한다.
이에 따라 도 14의 (c)에 도시된 바와 같이, 태양광 조사에 더하여 작물별 생장 단계에 적합하도록 지정된 세기와 파장의 인공조명의 빛이 추가로 조사된다.
따라서 본 실시예는 태양광의 세기에 대응하여 작물별 생장 단계에 필요한 세기와 파장의 인공조명만 구동하면 되므로 에너지를 절감하면서도 작물의 생장을 촉진시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 15는 본 발명의 제1 실시예에 따른 에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 15를 참조하면, 제어부(250)는 식물공장 시스템의 시설 주변의 환경 정보(예 : 온도, 습도, 먼지, 가스 등)를 검출하고, 특히 현재 시설내의 작물에 조사되고 있는 태양광의 스펙트럼을 검출한다(S101).
또한 상기 제어부(250)는 시설에서 재배되고 있는 작물별 생장 단계에 대응하여 미리 지정된 최적 조명 스펙트럼 정보를 룩업 테이블에서 인출한다(S102).
또한 상기 제어부(250)는 상기 태양광의 스펙트럼 정보를 바탕으로, 태양광의 세기가 재배 작물의 생장 단계에 대응하여 미리 지정된 최적 조명 스펙트럼 정보를 만족하는지 체크한다(S103).
상기 체크(S103) 결과, 태양광의 세기가 재배 작물의 생장 단계에 대응하여 미리 지정된 최적 조명 스펙트럼 정보를 만족하지 않는 경우(S103의 아니오), 상기 제어부(250)는 재배 작물의 생장 단계에 대응하여 미리 지정된 최적 조명 스펙트럼을 갖는 인공조명을 제어(구동)한다(S104).
이에 따라 상기 제어부(250)는 태양광 세기가 부족한 파장대의 인공조명만 구동하여 태양광에 더하여 추가로 조사함으로써, 즉, 태양광과 인공조명이 합성된 조명을 재배 작물에 조사한다(S105).
상기와 같이 본 실시예는 태양광의 세기에 대응하여 작물별 생장 단계에 필요한 세기와 파장의 인공조명만 구동함으로써, 인공조명에 필요한 에너지를 절감하면서도 작물의 생장을 촉진시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 16은 본 발명의 제2 실시예에 따른 에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 16을 참조하면, 제어부(250)는 식물공장 시스템의 시설 주변의 환경 정보(예 : 온도, 습도, 먼지, 가스 등)를 검출하고, 특히 현재 시설내의 작물에 조사되고 있는 태양광의 스펙트럼을 검출한다(S201).
또한 상기 제어부(250)는 태양광의 조사 온도(또는 조사 강도)가 시설에서 재배되고 있는 작물별 생장 단계에 대응하여 미리 지정된 최적 조사 온도(또는 최적 조사 강도)를 초과하는지 체크한다(S202).
상기 체크(S202) 결과, 태양광의 조사 온도(또는 조사 강도)가 시설에서 재배되고 있는 작물별 생장 단계에 대응하여 미리 지정된 최적 조사 온도(또는 최적 조사 강도)를 초과하는 경우(S202의 예), 상기 제어부(250)는 태양광 산란 조절부(230)를 구동한다(S203).
상기와 같이 태양광 산란 조절부(230)를 통해 태양광을 산란시켜 재배작물에 조사함으로써, 모든 파장대의 광이 투과되어 재배작물에 조사되게 하면서 광의 세기가 감소되므로 재배작물의 생장을 촉진시키는 효과가 있다.
도 17은 본 발명의 제3 실시예에 따른 에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 17을 참조하면, 제어부(250)는 작물별 생장 단계에 대응하여 미리 지정된 최적 이산화탄소 농도 정보를 룩업 테이블에서 인출한다(S301).
또한 상기 제어부(250)는 센서부(210)를 통해 포켓부 내부의 이산화탄소 농도를 검출한다(S302).
또한 상기 제어부(250)는 지정된 물 분무(분사) 시간인 경우(S303의 예), 미리 지정된 온도로 조정된 물에 지정된 농도(또는 지정된 양)의 이산화탄소를 혼합하여(또는 녹여) 재배작물의 잎에 분무(분사)한다(S304).
상기와 같이 재배작물의 잎에 물과 이산화탄소를 혼합하여 분무하는 이유는 잎에 묻은 먼지를 제거하고 벌레의 발생을 방지하여 작물이 건강하게 생장할 수 있도록 하며 광합성 작용을 돕기 때문이다. 다만 작물의 종류에 따라서는 물을 분무하는 것을 좋아하지 않는 것이 있으므로 작물의 종류에 따라 물 분사 여부와 물 분사 방식은 달라질 수 있다. 또한 이산화탄소를 물에 녹여 분무할 경우에는 물에 혼합된 이산화탄소가 잎에 더 많이 공급할 수 있도록 한다.
또한 상기 제어부(250)는 지정된 물 분무(분사) 시간이 아닌 경우(S303의 아니오), 미리 지정된 온도로 조정된 공기에 지정된 농도(또는 지정된 양)의 이산화탄소를 혼합하여 재배작물의 상부에서 잎에 분사한다(S305).
이 때 상기 이산화탄소가 혼합된 공기는, 포켓부에서 회수된 공기(즉, 이산화탄소가 혼합된 공기)나 공조부(240)을 통해 외부에서 유입(인입)된 신선한 공기이거나, 이 공기들이 혼합된 공기일 수 있다.
또한 상기 제어부(250)는 포켓부 내부의 공기를 순환시키기 위하여 설치된 적어도 하나 이상의 팬(FAN)을 구동하여 바람을 생성하여 작물의 잎을 흔들리게 함으로써 생장(예 : 뿌리에서의 수분 흡수 및 광합성 작용)을 촉진하고, 공기보다 무거운 이산화탄소가 포켓부 하부에 정체되는 것을 방지하여 포켓부 상부(작물의 잎 주변)로 이동시킨다(S306).
또한 상기 제어부(250)는 포켓부 내부의 공기(이산화탄소가 포함된 공기)를 회수한다(S307). 그리고 상기 S302 단계를 수행하여, 포켓부 내부의 이산화탄소 농도를 검출하고, 작물을 재배하는 동안 작물별 생장 단계에 따라 상기 S302 내지 S307 단계를 반복해서 수행한다.
상기와 같이 본 실시예는 동일한 작물의 기존 재배 시간 대비 작물(또는 식물)의 생장률을 증가시켜 기존 대비 빠른 시간 내에 목표한 생육 단계에 도달하게 함으로써 에너지 비용을 절감할 수 있도록 하며, 작물(또는 식물)의 재배 중 죽는 개체가 발생하지 않고 가능한 한 많은 개체가 출하 전까지 건강하게 생육되게 함으로써 에너지 비용(또는 작물 한 개체 당 에너지 비용)을 절감할 수 있도록 하며, 또한 시설(예 : 스마트 온실, 식물공장 등)의 주변 환경(예 : 광량, 온도, 습도 등)을 반영하여 인공조명(예 : LED 조명)이나 공조기 등의 작동 시간을 줄임으로써 에너지 비용을 절감할 수 있도록 한다.
이상으로 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다. 또한 본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍 가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.
100: 식물공장 102: 조도 측정부
104: 제어부 110: 집광부
111: 프레넬 렌즈부 113: 광량 조절부
115: 온도 감지부 120: 광가이드부
121: 단면광코어부 123: 피복부
130: 광조사부 131: 측면광코어부
140: 조명부 141: 엘이디부
143: 엘이디 기판부 150: 광차단부
151: 광차단 패널부 153: 패널 이동부
210 : 센서부 220 : 인공조명 조절부
230 : 태양광 산란 조절부 240 : 공조부
250 : 제어부 260 : 통신부
270 : 이산화탄소 분사부 271 : 이산화탄소 혼합부
272 : 물 분사부 273 : 에어 출력부
274 : 이산화탄소 회수부

Claims (7)

  1. 에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템의 시설 내외부의 온도, 시설 내부의 작물 주변을 둘러싼 포켓부의 내부 이산화탄소 농도, 및 태양광과 인공조명의 광 스펙트럼을 검출하는 센서부;
    작물에 각기 다른 파장의 빛을 조사하는 복수의 조명에 대한 온오프와 휘도를 각기 제어하는 인공조명 조절부;
    시설 외부의 공기와 내부의 공기를 교환하는 환기 동작을 수행하는 공조부;
    작물의 광합성을 위한 이산화탄소를 공급하되, 상기 작물에 분사된 이산화탄소를 회수한 후 신선한 공기와 지정된 적정 농도를 맞추기 위한 이산화탄소를 추가로 혼합하여 상기 작물에 재분사 하는 이산화탄소 분사부; 및
    상기 센서부를 통해 검출한 정보를 바탕으로 작물별 생장 단계에 따라 상기 이산화탄소 분사부, 상기 공조부 및 상기 인공조명 조절부를 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템은,
    작물에 조사되는 태양광을 산란시키는 태양광 산란 조절부;를 더 포함하고,
    상기 태양광 산란 조절부는,
    투과형 지지체의 일 측면에 투명한 소재로 일 측이 볼록한 반구 형태로 형성된 복수의 산란체가 일정 패턴으로 부착되어 형성되며, 상기 투과형 지지체의 양 측에 부착된 전동 모터 중 어느 한 전동모터의 구동에 의해 상기 투과형 지지체를 당겨 감거나 당겨 펼치도록 구현되고,
    상기 제어부가,
    상기 작물별 생장 단계에 따라 상기 태양광 산란 조절부를 추가로 제어하는 것을 특징으로 하는 에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템은,
    상기 에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템의 시설 내부에서 각 작물이 심겨있는 트레이를 돔 형태로 둘러싸는 포켓부;를 더 포함하며,
    상기 포켓부는, 내부의 공기나 이산화탄소가 외부로 배출되지 않도록 막는 역할을 수행하는 투명한 막으로 형성되고,
    상기 포켓부 내부에는 포켓부 내부의 공기를 순환시키기 위한 팬(FAN)이 형성되고, 상기 포켓부 내부의 이산화탄소가 혼합된 공기를 회수하기 위한 공기 회수구가 형성되며,
    상기 트레이의 상부에는 이산화탄소가 혼합된 물을 분사하는 물 분사부와 이산화탄소가 혼합된 공기를 분사하는 에어 출력부가 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는,
    공기 회수구를 통해 포켓부에서 회수된 공기에 포함된 이산화탄소의 농도를 바탕으로 작물별 생장 단계에 따라 유지해야 할 적정량의 지정된 이산화탄소의 농도에서 부족한 이산화탄소의 농도를 산출하고,
    상기 부족한 이산화탄소의 농도에 대응하여 상기 포켓부에 공급할 이산화탄소량을 산출하고, 상기 산출한 이산화탄소량을 이산화탄소 혼합부를 통해 물 또는 공기 배관에 혼합하여 상기 포켓부 내부에 분사 방식으로 공급하는 것을 특징으로 하는 에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는,
    에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템의 시설에서 재배되는 작물에 조사되고 있는 태양광의 스펙트럼을 검출하고,
    작물별 생장 단계에 대응하여 미리 지정된 최적 조명 스펙트럼 정보를 룩업 테이블에서 인출하며,
    상기 태양광의 스펙트럼 정보를 바탕으로, 태양광의 세기가 재배 작물의 생장 단계에 대응하여 미리 지정된 최적 조명 스펙트럼 정보를 만족하지 않는 경우, 작물의 생장 단계에 대응하여 미리 지정된 최적 조명 스펙트럼을 갖는 인공조명만 선택적으로 구동하여 태양광과 인공조명이 합성된 조명을 작물에 조사하는 것을 특징으로 하는 에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는,
    에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템의 시설에서 재배되는 작물에 조사되고 있는 태양광의 스펙트럼을 검출하고,
    태양광의 조사 강도가 시설에서 재배되고 있는 작물별 생장 단계에 대응하여 미리 지정된 최적 조사 강도를 초과하는 경우, 태양광 산란 조절부를 구동하여 상기 태양광을 산란시킨 후 작물에 조사되게 하는 것을 특징으로 하는 에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는,
    작물별 생장 단계에 대응하여 미리 지정된 최적 이산화탄소 농도 정보를 룩업 테이블에서 인출하고,
    상기 센서부를 통해 포켓부 내부의 이산화탄소 농도를 검출하며,
    지정된 물 분무 시간인 경우, 미리 지정된 온도로 조정된 물에 미리 지정된 최적 이산화탄소 농도를 유지하기 위하여 산출된 양의 이산화탄소를 혼합하여 작물의 잎에 분무하고,
    지정된 물 분무 시간이 아닌 경우, 미리 지정된 온도로 조정된 공기에 미리 지정된 최적 이산화탄소 농도를 유지하기 위하여 산출된 양의 이산화탄소를 혼합하여 포켓부의 상부에서 작물의 잎에 분사하며,
    상기 포켓부 내부에 설치된 적어도 하나 이상의 팬(FAN)을 구동하여 상기 포켓부 내부의 공기를 순환시키면서 작물의 잎이 흔들리게 하고,
    상기 포켓부 내부의 이산화탄소가 포함된 공기를 회수하여 상기 포켓부 내부의 이산화탄소 농도를 검출하고, 작물을 재배하는 동안 작물별 생장 단계에 따라 상기 이산화탄소 농도 검출과 상기 이산화탄소 분사를 반복해서 수행하는 것을 특징으로 하는 에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템.
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