KR20110006058A - 탄산시비 효율 증진을 위한 재배기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 딸기 재배 공간 내에 탄산가스의 체류 시간을 증가시켜 설정치의 농도로 장시간 유지할 수 있어 재배 효율을 높일 수 있는 탄산시비 효율 증진을 위한 재배기에 관한 것으로, 보다 구체적으로 길이방향으로 연장되고, 상부 개방형의 표면에 재배 공간이 마련된 베드; 상기 베드의 양 측단부에 길이방향을 따라 높이 방향으로 각각 연장된 윈드 브레이크; 및 상기 베드의 표면으로부터 이격 배치되고, 표면에 복수의 분사홀이 형성된 공급 파이프를 포함하되, 기 파이프 내를 유동하는 탄산가스가 분사홀을 통하여 베드의 재배 공간으로 분사되는 것을 특징으로 한다.

베드, 탄산가스, 분사홀, 윈드 브레이크, 딸기

Description

탄산시비 효율 증진을 위한 재배기{Culturing device for improving the efficient carbon dioxide enrichment}

본 발명은 탄산시비 효율 증진을 위한 재배기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 딸기 재배 공간 내에 탄산가스의 체류 시간을 증가시켜 설정치의 농도로 장시간 유지할 수 있어 재배 효율을 높일 수 있는 탄산시비 효율 증진을 위한 재배기에 관한 것이다.

일반적으로 근대화와 함께 경제수준이 높아지고 그에 따른 삶의 질 증진에 대한 욕구로 인하여 국민들은 먹거리의 선택에 품질과 신선도를 고려하게 되었다. 부식으로 간주되던 채소와 과일 등의 섭취가 건강한 식생활에 필수적으로 인식되면서 그와 같은 원예작물의 소비량이 증가하게 되었고, 국내 농업에서 밭작물이나 원예작물 재배의 비중은 점차 증가하여왔다

밭작물이나 원예작물의 경우 우수한 상품성을 위해서 개체 각각의 품질뿐만 아니라, 생산지 전체 작물 품질의 균등한 생산 역시 중요하다. 각 상품 개체의 품 질이 균등하면 상품의 포장, 선별 작업이 수월해지고, 적은 불량률을 보장하여 생산자에 대한 소비자의 신뢰를 가져와 브랜드 가치의 상승을 기대할 수 있다. 우리나라의 경우 사계절이 뚜렷하여 기후적 영향을 많이 받기 때문에 계절에 따른 균등성 확보에 많은 주의를 요한다. 따라서 계절 변화에 구애받지 않고 지속적으로 균등한 품질의 작물을 생산하기 위하여 온실 등에서의 시설재배가 점차 증가하여 1980년대에는 시설재배 면적이 8000 ha 정도에서 2000년대 이후에는 7만 ha 이상으로 증가하였다(통계청, 2008). 시설재배는 온도뿐만 아니라 습도, 광, 가스농도 등 농작물의 생육에 필요한 조건들을 생산자가 임의로 조절할 수 있는 장점이 있다.

다양한 환경요인 중에서 탄산가스(이산화탄소 가스, CO₂)는 무기염류 등과 같이 작물 생장에 필요한 필수 요소이며, 온도, 습도 등과 달리 광합성 과정에서 소모되는 성분이다. 탄산가스는 일반적으로 대기 중에서 300 내지 500 ppm 정도의 농도로 존재하고 있으나, 온실과 같은 밀폐된 공간에서 낮 동안에 광합성이 진행됨에 따라 농도가 급격히 감소하여 작물의 탄소동화가 저해된다. 따라서 시설재배의 경우 농도 저감에 대한 대책으로 별도의 시비를 통하여 공급하는 것이 보편화 되어있다. 동일 일사량 조건에서 탄산가스 농도에 따른 작물 생산량은 작물별로 포화점이 존재하며, 일정 농도 이상에서는 오히려 생장이 둔화되는 현상을 보인다. 또한 과다한 탄산가스의 시비는 생산비 증가, 환경 오염 등의 부작용을 가져오기 때문에 작물별 적정 수준의 시비량 조절이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 딸기 재배 공간 내에 탄산가스의 체류 시간을 증가시켜 설정치의 농도로 장시간 유지할 수 있어 재배 효율을 높일 수 있는 탄산시비 효율 증진을 위한 재배기를 제공하는 것이다.

본 발명의 상기한 목적을 달성하기 위하여,

본 발명의 일 측면에 따르면,

길이방향으로 연장되고, 상부 개방형의 표면에 재배 공간이 마련된 베드;

상기 베드의 양 측단부에 길이방향을 따라 높이 방향으로 각각 연장된 윈드 브레이크; 및

상기 베드의 표면으로부터 이격 배치되고, 표면에 복수의 분사홀이 형성된 공급 파이프를 포함하되,

상기 파이프 내를 유동하는 탄산가스가 분사홀을 통하여 베드의 재배 공간으로 분사되는 것을 특징으로 하는 탄산시비 효율 증진을 위한 재배기가 제공된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 탄산시비 효율 증진을 위한 재 배기는 딸기 재배 공간 내에 탄산가스의 체류 시간을 증가시켜 설정치의 농도로 장시간 유지할 수 있어 재배 효율을 높일 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄산시비 효율 증진을 위한 재배기를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄산시비 효율 증진을 위한 재배기(이하, "재배기")를 나타내는 요부 사시도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 재배기(10)는 베드(11), 윈드 브레이크(12) 및 공급 파이프(20)를 포함한다.

여기서, 상기 베드(11)는 길이방향으로 연장되고, 상부 개방형의 표면에 재배 공간이 마련된다.

상기 재배 공간에는 요부(∪, 1b) 및 철부(∩, 1a)를 포함하는 재배토양(1) 마련될 수 있으며, 상기 재배토양(1)의 철부(1a)에 딸기(2)가 재배될 수 있다.

또한, 윈드 브레이크(12)는 베드(11)의 양 측단부에 길이방향을 따라 높이 방향으로 각각 연장 형성되며, 상기 윈드 브레이크(12)의 높이는 베드(11)의 표면으로부터 20 내지 40cm 높게 형성될 바람직하게 약 30cm일 수 있다. 상기 수치보다 높이가 낮게 형성되면 윈드 브레이크(12)로서 역할을 수행할 수 없고, 공기의 유동장의 변화가 발생하여 일정 농도를 유지하기 위하여 다량의 탄산가스가 공급되어야 하는 문제가 발생할 수 있고, 상기 수치보다 높이가 높게 형성되면 딸기와 같이 초장이 약 30cm인 작물일 경우에 군락 내 공기 유동이 거의 없어져 기온상승 및 증산 작용이 원활하지 않게 되는 문제가 생길 수 있다.

윈드 브레이크(12)는 경량이고, 내구성이 우수하며 투명도가 좋은 수지로 형성될 수 있으며, 이에 제한되지 않으나, 예를 들어 폴리에텔렌, 초산비닐(EVA) 및 염화비닐(PVC)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상으로 형성될 수 있고, 그 두께가 0.3mm이하일 수 있으며, 바람직하게 0.1 내지 0.3mm일 수 있다. 상기 수치보다 두께가 크게 형성되면 제조원가가 상승하고, 윈드 브레이크를 지지하기 위한 추가부재가 요구될 수 있는 문제가 발생할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 재배기(10)는 상기 베드의 표면으로부터 이격 배치되고, 표면에 복수의 분사홀(21)이 형성된 공급 파이프(20)를 포함한다. 여기서, 상기 공급 파이트(20)는 상기 재배토양의 요부에 배치될 수 있으며, 상기 공급 파이프(20) 내를 유동하는 탄산가스가 분사홀(21)을 통하여 베드의 재배 공간으로 분사된다.

즉, 공급 파이프가 요부 상에 배치됨으로써, 철부 상에서 재배되고 있는 식물(예를 들어, 딸기)의 잎의 뒷면으로 탄산가스를 분사하게 된다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 재배기(10)는 상기 윈드 브레이크의 높이를 조절할 수 있는 높이 조절 수단(도시되지 않음)을 추가로 포함할 수 있으며, 이 때 상기 높이 조절 수단은 상기 윈드 브레이크(12)를 승강 또는 하강시키는 구동부 및 상기 구동부를 조작하는 작동부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 재배기(10)는 상기 재배 공간 내에 위치된 탄산가스 농도 측정 센서; 및 상기 측정치와 기준치를 비교하여 탄산가스 공급량을 조절하는 제어부를 추가로 포함할 수 있으며, 이에 따라 재배 공간 내의 탄산가스 농도를 측정하여, 요구되는 농도치를 유지하도록 제어할 수 있다.

실시예

딸기 재배 베드 위쪽에 공급된 탄산가스의 농도를 분석하기 위하여 본 연구에서는 CFD 상용 소프트웨어 중에서 Fluent(ver 6.3, Fluent Inc, Lebanon, N.H, USA)를 이용하였다. 설계 재원은 일반적인 딸기 재배 온실의 규격 및 설계형태와 환경조건 등을 대상으로 하였다.

Fluent 프로그램에서 제공하는 난류 모델 중 온실에서의 자연환기 유동 해석에 주로 사용되는 모델에는 standard k-ε 모델, renormalization-group(RNG) k-ε 모델, realizable k-ε 모델, Reynolds stress model(RSM) 등이 있다(Fluent, 2007). 이 모델들의 기본 형태는 비슷하지만 점성으로 인한 난류를 계산하는 방법, k와 ε의 난류확산을 결정하는 프랜들 수, 난류 확산방정식에서의 생성 소멸 조건에의 차이가 있다. 본 연구에서는 작은 값의 레이놀드 수에 따른 점성효과 계산시 수렴이 잘 되어 정상상태의 파악이 쉬운 RNG k-ε 모델을 선택하여 계산하였다

재배기는 베드의 재배공간이 바닥으로부터 870mm 이격되도록 구성되어 있으며, 폭은 270mm이고, 길이방향은 1020mm의 사이즈를 갖는다.

베드 중앙에 탄산가스를 작물 근처에 직접 공급하기 위한 원형 단면의 공급 파이프가 지나도록 설계했으며, 공급 파이프 위쪽으로는 약 20cm 간격으로 노즐을 뚫어 탄산가스가 분사되도록 하였다. 풍속에 의하여 손실되는 탄산가스량을 줄여 딸기에 공급되는 가스 농도를 증가시키기 위하여 베드 위 양쪽에 폴리에틸렌 재질의 윈드 브레이크를 설치하였다.

실내 온도는 23℃로 설정하였고, 일반적인 온실의 환경조건에 따라 풍상측에서 유입되는 풍속의 평균 탄산가스 농도와 분사홀에서 공급되는 농도는 각각 400 ppm, 1000 ppm 으로 설정하였다.

또한, 분사홀에서의 탄산가스의 분사속도는 0.3m/s로, 풍속은 0.5, 1.0 및 1.5m/s로 각각 설정하였다.

윈드 브레이크 설치 높이에 따른 탄산가스 보존의 효과를 알아보기 위하여 시설내의 평균 풍속과 윈드 브레이크 높이를 변화요인으로 주었다. 온실 내부의 환기 등으로 인한 평균 실내 풍속을 1.0 m/s로 가정하여 0.5 m/s 1.0 m/s 1.5 m/s 의 풍속조건에서의 구조를 분석하였고, 윈드 브레이크의 높이는 윈드 브레이크를 설치하지 않은 경우(0 cm), 15 cm, 30 cm를 설치한 경우로 각각 나누어 총 9가지 환경조건에 대하여 정상상태로 계산을 수행하였다. 상기 9가지 환경조건은 다음과 같다.

[표 1]

구분		윈드 브레이크의 높이
		0 cm	15 cm	30 cm
풍속	0.5 m/s	case A	case B	case C
	1.0 m/s	case D	case E	case F
	1.5 m/s	case G	case H	case I

윈드 브레이크의 설치 높이에 따른 탄산가스의 보존효과를 파악하기 위하여, 각각의 구조별로 시설 내부의 공기유동을 살펴보고 방풍막 설치에 따른 풍속 감소 효과를 알아보았다. 그 후 압력분포 분석을 통하여 일부 위치에서의 와류 생성 등 불균일한 공기유동에 대한 합리성을 판단한 후에 구현된 베드 위에서의 탄산가스 농도를 분석하였다. 그 후 이러한 결과를 바탕으로 딸기 생장에 필요한 탄산가스의 적정 농도를 600 내지 800 ppm 으로 보고, 설계한 온실에서의 적정한 윈드 브레이크의 설치 높이를 도출하였다.

도 2는 CFD 측정 결과 중 공기유동장을 나타내는 것으로서, 베드 상의 풍속 분포를 나타낸다.

구조 D, E, F를 비교하면 구조 D는 노즐에서 분사되는 공기가 왼편으로 향하는데 비하여 구조 E, F 는 노즐에서 분사되는 공기가 오른편으로 향하였다. 그 원인은 풍하측에서의 유동이 방풍막 위로 유입되어 베드 위로 향하는 유속 차이에 있다. 시뮬레이션에서 계산된 베드 위쪽으로 유입되는 공기의 평균풍속은 구조 D의 경우 0.09 m/s이고 구조 E는 0.18 m/s, 구조 F는 0.30 m/s로 나타났다. 유입된 공기가 노즐에서 분사되는 속도인 0.3 m/s와 충돌할 때 우위에 있는 풍속이 어느 풍향이냐에 따라 다른 방향의 진행을 보여주었다. 구조 D의 경우 유입공기가 노즐에서 분사되는 속도에 비하여 작아 오른편으로 떨어졌고, 구조 E, 구조 F의 경우는 노즐 분사 공기를 이겨낼 정도의 풍속으로 유입되어 분사구 왼편을 향하여 유동을 하는 모습을 보였다. 따라서 풍속 변화에 따라 탄산가스의 분사 방향이 다르게 나타남을 알 수가 있었다.

30 cm 높이의 방풍막을 설치한 구조 G, H, I의 경우에서도 풍하측의 방풍막 위로 유입되는 유동이 존재하나, 유입되는 공기가 직접 베드에 도달하지 않고 와류를 일으켜 풍속이 감소된 형태로 베드 주변 공기와 노즐에서 분사되는 탄산가스의 유동에 영향을 주었다. 따라서 30 cm 높이의 방풍막 설치가 15cm 높이의 방풍막 설치에 비해 베드 위쪽의 탄산가스 보존효과가 더 큰 것으로 나타났다.

또한, 베드 위의 평균 풍속은 다음 [표 2]와 같다.

[표 2]

구분		위드 브레이크의 높이
		0 cm	5 cm	10 cm	15 cm	30 cm
풍속	0.5m/s	-	50	20.5	9.1	9.1
	1.0m/s	-	46.1	13.5	5.6	5.6
	1.5m/s	-	46.6	14.3	7.5	4.5
	Average	-	47.6	16.1	7.4	6.4

모든 구조에서 방풍막 미설치 경우에 비하여 높이 15 cm의 방풍막을 설치한 경우 풍속이 평균 93% 정도 감소하여 설치의 효과가 뛰어났지만 30 cm의 방풍막을 설치한 경우에는 15 cm높이로 설치한 경우에 비하여 평균적으로 약 1%가 추가로 감소하고 있어 설치하는 비용에 대한 효과가 점차 감소한다. 이는 방풍막 설치 높이에 따른 효과가 선형적으로 증가하지 않기 때문에 설치비용 등을 고려한 적정 수준의 설치 높이를 선택하여야 한다는 것을 확인할 수 있었다.

도 3은 CFD 분석 결과 중 베드 상의 탄산가스 농도 분포를 나타낸 것으로서, 평균적으로 윈드 브레이크의 설치높이 15 cm에서는 윈드 브레이크 미설치시에 비하여 약 10배 탄산가스 농도의 증가효과가 있었고, 설치높이 30 cm에서는 미설치시에 비하여 약 18배의 증가효과가 있어 윈드 브레이크 설치가 탄산가스 농도보존에 효과적임을 알 수 있었다. 같은 윈드 브레이크 높이에서 1.0 m/s와 1.5 m/s의 풍속조건일 때의 차이가 앞에서 살펴본 공기유동장의 변화에서는 2% 정도로 크게 두드러지지 않았던 것에 비하여, 보존된 탄산가스 농도를 비교하였을 때에는 보존효과 상승이 80% 정도로 보다 확연하게 나타났다.

딸기의 경우 일반적으로 같은 일사량 조건에서 탄산가스 농도가 600 내지800 ppm일 때 광합성이 최대로 일어난다고 알려져 있기 때문에 본 연구에서 가정한 평균 실내 풍속이 1.0 m/s 인 온실 내에서는 탄산가스 농도를 650 ppm 가량 보존할 수 있는 30 cm 의 윈드 브레이크의 설치가 적당한 것으로 확인되었다.

위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄산시비 효율 증진을 위한 재배기를 나타내는 요부 사시도.

도 2는 도 2는 CFD 측정 결과 중 공기유동장을 나타내는 그래프.

도 3은 CFD 분석 결과 중 베드 상의 탄산가스 농도 분포를 나타내는 그래프.

Claims (6)

1. 길이방향으로 연장되고, 상부 개방형의 표면에 재배 공간이 마련된 베드;

   상기 베드의 양 측단부에 길이방향을 따라 높이 방향으로 각각 연장된 윈드 브레이크; 및

   상기 베드의 표면으로부터 이격 배치되고, 표면에 복수의 분사홀이 형성된 공급 파이프를 포함하되,

   상기 파이프 내를 유동하는 탄산가스가 분사홀을 통하여 베드의 재배 공간으로 분사되는 것을 특징으로 하는 탄산시비 효율 증진을 위한 재배기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 윈드 브레이크의 높이는 20 내지 40cm인 것을 특징으로 하는 탄산시비 효율 증진을 위한 재배기.
3. 제 1 항에 있어서,

   기 윈드 브레이크는 폴리에틸렌, 폴리염화비닐 및 초산비닐로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상으로 형성된 것을 특징으로 하는 탄산시비 효율 증진을 위한 재배기.
4. 제 1 항에 있어서,

   상 재배 공간에 위치되며, 요부 및 철부를 포함하는 재배토양을 추가로 포함하되,

   상기 재배토양의 철부에 딸기가 재배되고, 상기 재배토양의 요부에 공급 파이프가 배치되는 것을 특징으로 하는 탄산시비 효율 증진을 위한 재배기.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 재배 공간 내에 위치된 탄산가스 농도 측정 센서; 및

   상기 측정치와 기준치를 비교하여 탄산가스 공급량을 조절하는 제어부를 추가로 포함하는 탄산시비 효율 증진을 위한 재배기.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 윈드 브레이크의 높이를 조절할 수 있는 높이 조절 수단을 추가로 포함하되,

   상기 높이 조절 수단은, 상기 윈드 브레이크를 승강 또는 하강시키는 구동부 및 상기 구동부를 조작하는 작동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄산시비 효 율 증진을 위한 재배기.

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