KR20150035102A - 내연기관을 이용한 독립적 식물공장 - Google Patents

내연기관을 이용한 독립적 식물공장 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내연기관을 이용한 독립적 식물공장에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내연기관의 동력을 이용하여 전기를 자체적으로 생산함으로써 주변 환경에 구애받지 않고 완전 독립적인 유지 및 운영이 가능함은 물론 전기의 안정적인 공급으로 인공 광원을 통한 식물의 광합성에 필요한 빛에너지를 안정적으로 공급할 수 있고, 내연기관의 배출가스를 정화한 상태로 식물공장으로 배기함으로써 유해하지 않으면서도 식물의 성장에 필요한 이산화탄소를 공급할 수 있으며, 내연기관의 배출가스로부터 열을 회수하여 식물공장 내부의 온도 유지에 이용할 수 있는 내연기관을 이용한 독립적 식물공장에 관한 것이다.
본 발명에 따른 내연기관을 이용한 독립적 식물공장은, 재배를 위한 식물이 수용되고, 식물의 생장에 필요한 인공 광원을 포함하는 전기시설이 설비된 식물공장에 있어서, 연료의 연소 에너지를 이용하여 구동축을 회전시키고, 이산화탄소를 포함한 배출가스를 배기관으로 배출하는 내연기관과; 상기 전기시설에 전력를 공급하도록 상기 내연기관의 구동축에 연결되어 회전되며 전기를 생산하는 발전기를 포함하여 구성된 전력공급부와; 상기 내연기관의 배기관으로 배출되는 배출가스를 정화하는 촉매와, 상기 촉매를 통해 정화된 배출가스를 상기 식물공장으로 공급하는 CO2공급관을 포함하여 구성된 CO2공급부와; 상기 내연기관의 배기관으로 배출되는 배출가스로부터 열을 회수하는 열교환기와, 상기 열교환기를 통해 회수된 열을 난방라인을 통해 상기 식물공장으로 공급하는 난방기를 포함하여 구성된 열공급부와; 상기 식물공장 내부의 이산화탄소 농도 및 온도를 측정하는 센서부와; 상기 내연기관 및 상기 전력공급부의 작동을 제어하고, 상기 센서부에서 측정된 값에 따라 상기 CO2공급부 및 상기 열공급부의 작동을 제어하는 제어부를; 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

내연기관을 이용한 독립적 식물공장{INDEPENDENT PLANT FACTORY USING INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연기관을 이용한 독립적 식물공장에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내연기관의 동력을 이용하여 전기를 자체적으로 생산함으로써 주변 환경에 구애받지 않고 완전 독립적인 유지 및 운영이 가능함은 물론 전기의 안정적인 공급으로 인공 광원을 통한 식물의 광합성에 필요한 빛에너지를 안정적으로 공급할 수 있고, 내연기관의 배출가스를 정화한 상태로 식물공장으로 배기함으로써 유해하지 않으면서도 식물의 성장에 필요한 이산화탄소를 공급할 수 있으며, 내연기관의 배출가스로부터 열을 회수하여 식물공장 내부의 온도 유지에 이용할 수 있는 내연기관을 이용한 독립적 식물공장에 관한 것이다.
최근 심화되고 있는 이상기상 현상은 우리나라의 농업산업을 위협하고 있다.
세계적으로 식량부족을 예고하고 있는 등 기상이변에 따른 농산물 수급불안은 더욱 심각해지고 있다.
따라서 주변의 환경변화에 관계없이 안정적인 먹을거리를 확보할 수 있는 방안이 필요하다.
식물공장이란 농작물에 대하여 통제된 일정한 시설 내에서 빛, 온도, 습도, 이산화탄소 농도 및 배양액 등의 환경 조건을 인공적으로 제어하여 계절이나 장소에 관계없이 자동적으로 연속 생산하는 시스템을 말한다.
즉, 식물공장이란 온도와 습도를 제어하고 인공 광원으로 농작물을 재배하는 시설농업으로서, 날씨나 계절에 관계없이 농작물을 연중 안정적으로 생산할 수 있는 시스템이다.
이는 농업과 건축, 설비, 기계, 전자제어는 물론, 생체정보 해석 등 여러 분야의 과학기술이 융복합된 첨단 농업생산기술이라 할 수 있다.
이와 같이 식물공장은 농작물의 생육 상태를 과학적으로 관리하여 비료나 농약을 저투입하는 정밀농업(precision agriculture)의 성격을 가지므로, 일반 농산물에 비해 안전성을 확보할 수 있다.
또한, 노지에서 재배가 어려운 기능성 농작물을 재배함으로써 고부가가치 농업을 실현할 수 있고, 식량작물의 연중 재배를 통해 생산성을 비약적으로 높임으로써 식량기지로 활용할 수 있다는 점에서 식물공장 방식은 미래 농업의 대안이 될 수 있을 것이다.
식물공장의 시스템을 유지하고 운영하는데 필요한 중요한 요소나 조건은 다음과 같다.
전기의 안정적인 공급으로 식물의 광합성에 필요한 빛에너지를 안정적으로 공급하고 시스템의 운영을 안정적으로 할 수 있어야 할 것, 식물의 성장에 필요한 적절한 CO2 농도를 유지해 줄 수 있을 것, 식물의 성장에 필요한 환경 온도를 유지(난방 혹은 냉방)해 줄 수 있을 것. 식물의 성장에 필요한 환경 습도를 유지해 줄 수 있을 것. 식물의 성장에 필요한 환경 중 유해 성분이 없어야 할 것 등이다.
한편, 최근에는 엔진 등 내연기관을 이용하여 식물을 재배하고자 하는 시도가 이루어지고 있는데, 관련된 종래기술로 대한민국 공개특허공보 제10-2007-0066763호(공개일자: 2007.06.27.)에는 "비닐하우스용 난방장치"가 제안된 바 있다.
상기의 종래기술은 엔진 배기가스 보울 열을 회수하여 비닐하우스의 난방에 이용하고, 배기가스 중에 포함된 이산화탄소에 의하여 탄소동화작용을 촉진하여 식물 등의 성장을 향상시키고자 하는 기술이다.
하지만, 상기의 종래기술은 태양광을 광원으로 이용하는 비닐하우스에 적용되는 기술로 식물의 생장에 필요한 인공 광원을 필수로 하고 각종 전기시설이 설비되어 있어 전기의 안정적인 공급이 필요한 식물공장에는 그대로 적용하기 곤란한 문제점이 있었다.
또한, 상기의 종래기술은 비닐하우스의 난방에만 이용되는 기술로 식물의 성장에 필요한 환경 온도 유지를 위해 난방은 물론 필요에 따라 냉방도 필요한 식물공장에는 그대로 적용하기 곤란한 문제점이 있었으며, 배기가스에 포함된 CO, HC, NOx, PM 등 유해성분이 비닐하우스에 그대로 투입될 수 있는 문제점과, 배기가스에 포함된 수분으로 인하여 비닐하우스 내부의 습도가 필요 이상으로 상승될 수 있는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 내연기관의 동력을 이용하여 전기를 자체적으로 생산함으로써 주변 환경에 구애받지 않고 완전 독립적인 유지 및 운영이 가능함은 물론 전기의 안정적인 공급으로 인공 광원을 통한 식물의 광합성에 필요한 빛에너지를 안정적으로 공급할 수 있고, 내연기관의 배출가스를 정화한 상태로 식물공장으로 배기함으로써 유해하지 않으면서도 식물의 성장에 필요한 이산화탄소를 공급할 수 있는 내연기관을 이용한 독립적 식물공장을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 다른 목적은 내연기관의 배출가스로부터 회수된 열을 난방기 및 흡수식 냉동기에 이용하거나, 내연기관의 동력을 이용하여 히트펌프를 가동시켜 식물공장 내부의 적절한 온도 유지할 수 있고, 배출가스에 포함된 수분을 응축수트랩을 통해 제거함으로써 식물공장 내부의 적절한 습도를 유지할 수 있는 내연기관을 이용한 독립적 식물공장을 제공하는 데에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하고자 본 발명에 따른 내연기관을 이용한 독립적 식물공장은, 재배를 위한 식물이 수용되고, 식물의 생장에 필요한 인공 광원을 포함하는 전기시설이 설비된 식물공장에 있어서, 연료의 연소 에너지를 이용하여 구동축을 회전시키고, 이산화탄소를 포함한 배출가스를 배기관으로 배출하는 내연기관과; 상기 전기시설에 전력를 공급하도록 상기 내연기관의 구동축에 연결되어 회전되며 전기를 생산하는 발전기를 포함하여 구성된 전력공급부와; 상기 내연기관의 배기관으로 배출되는 배출가스를 정화하는 촉매와, 상기 촉매를 통해 정화된 배출가스를 상기 식물공장으로 공급하는 CO2공급관을 포함하여 구성된 CO2공급부와; 상기 내연기관의 배기관으로 배출되는 배출가스로부터 열을 회수하는 열교환기와, 상기 열교환기를 통해 회수된 열을 난방라인을 통해 상기 식물공장으로 공급하는 난방기를 포함하여 구성된 열공급부와; 상기 식물공장 내부의 이산화탄소 농도 및 온도를 측정하는 센서부와; 상기 내연기관 및 상기 전력공급부의 작동을 제어하고, 상기 센서부에서 측정된 값에 따라 상기 CO2공급부 및 상기 열공급부의 작동을 제어하는 제어부를; 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 내연기관을 이용한 독립적 식물공장은, 상기 CO2공급관상에 설치되어 통과되는 배출가스로부터 수분을 제거하는 응축수트랩을 포함하여 구성된 수분제거부를; 더 포함하고, 상기 센서부는, 상기 식물공장 내부의 습도를 더 측정하며, 상기 제어부는, 상기 센서부에서 측정된 습도에 따라 상기 수분제거부의 작동을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 내연기관을 이용한 독립적 식물공장은, 상기 열공급부는, 상기 열교환기를 통해 회수된 열을 이용하여 냉기를 생성하고 생성된 냉기를 냉방라인을 통해 상기 식물공장으로 공급하는 흡수식 냉동기와, 상기 열교환기를 통해 회수된 열의 흐름을 상기 난방기 또는 상기 흡수식 냉동기로 전환가능하도록 상기 열교환기와 연결된 회수열공급라인상에 설치된 회수열흐름전환밸브를 더 포함하여 구성되고, 상기 제어부는, 상기 센서부에서 측정된 온도에 따라 상기 회수열흐름전환밸브의 작동을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 내연기관을 이용한 독립적 식물공장은, 상기 열공급부는, 상기 열교환기를 통해 회수된 열이 상기 회수열흐름전환밸브를 통해 상기 난방기 또는 상기 흡수식 냉동기로 흐르도록 상기 회수열공급라인상에 설치된 회수열순환펌프와, 상기 흡수식 냉동기에서 생성된 냉기를 상기 식물공장으로 공급하도록 상기 냉방라인상에 설치된 냉기순환펌프를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 내연기관을 이용한 독립적 식물공장은, 상기 CO2공급부는, 상기 촉매를 통해 정화된 배출가스의 흐름을 외부 또는 상기 식물공장으로 전환가능하도록 상기 CO2공급관상에 설치된 배기전환밸브를 더 포함하여 구성되고, 상기 제어부는, 상기 센서부에서 측정된 이산화탄소 농도에 따라 상기 배기전환밸브의 작동을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 내연기관을 이용한 독립적 식물공장은, 상기 난방기는, 상기 열교환기와 열회수물질의 폐회로를 형성하며 상기 열교환기를 통해 회수된 열을 저장하는 에너지저장탱크와, 상기 에너지저장탱크에 저장된 열을 상기 식물공장으로 공급하도록 상기 난방라인상에 설치된 저장에너지분배펌프를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 내연기관을 이용한 독립적 식물공장은, 상기 열공급부는, 상기 내연기관의 구동축에 냉동사이클의 압축기가 연결되어 냉기 또는 온기를 생성하고 생성된 냉기 또는 온기를 냉난방라인을 통해 상기 식물공장으로 공급하는 히트펌프를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 내연기관을 이용한 독립적 식물공장은, 상기 열공급부는, 상기 열교환기를 통해 회수된 열이 상기 회수열흐름전환밸브를 통해 상기 난방기 또는 상기 흡수식 냉동기로 흐르도록 상기 회수열공급라인상에 설치된 회수열순환펌프와, 상기 히트펌프에서 생성된 냉기 또는 온기를 상기 식물공장으로 공급하도록 상기 냉난방라인상에 설치된 냉온기순환펌프를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의하여 본 발명에 따른 내연기관을 이용한 독립적 식물공장은 내연기관의 동력으로 가동되는 발전기에 의해 생산된 전기는 시스템에 필요한 전기를 공급하여 광합성에 필요한 빛에너지를 공급함과 동시에 식물공장 운영에 필요한 전기를 언제 어디에서든지 공급할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 내연기관을 이용한 독립적 식물공장은 화석연료를 연소시켜 동력을 얻는 내연기관은 이산화탄소를 배출하므로 이 배기를 식물공장으로 공급하여 식물의 광합성에 필요한 이산화탄소를 안정적으로 공급할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 내연기관을 이용한 독립적 식물공장은 내연기관의 동력 일부를 사용하거나 내연기관의 배기 폐열을 회수하여 축적하여 활용하는 시스템은 식물공장의 난방과 냉방을 동시에 해결할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 내연기관을 이용한 독립적 식물공장은 화석연료를 연소시켜 동력을 얻는 내연기관 연소의 경우 이산화탄소와 동시에 수분이 다량 배출되는데 페열회수 시스템에서 수분을 응축하여 제거하므로 식물공장 내부에 일정한 습도를 유지시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 내연기관을 이용한 독립적 식물공장은 화석연료를 연소시켜 동력을 얻는 내연기관의 배기에는 유해성분으로 CO, HC, NOx, PM 등을 함유하는데 이들 유해 성분은 후처리장치인 촉매를 사용하여 거의 완전히 정화시킴으로써 내연기관의 배기를 이용하면서도 식물의 최적 성장 조건을 유지시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 내연기관을 이용한 독립적 식물공장의 개념도
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 내연기관을 이용한 독립적 식물공장의 구성도
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 내연기관을 이용한 독립적 식물공장의 개념도
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 내연기관을 이용한 독립적 식물공장의 개념도
이하에서는 도면에 도시된 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 내연기관을 이용한 독립적 식물공장를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 내연기관을 이용한 독립적 식물공장의 개념도이고, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 내연기관을 이용한 독립적 식물공장의 구성도이다.
도 1 내지 도 2를 살펴보면, 본 발명의 제1실시예에 따른 내연기관을 이용한 독립적 식물공장은 재배를 위한 식물(1a)이 수용되고, 식물(1a)의 생장에 필요한 인공 광원을 포함하는 전기시설(1b)이 설비된 식물공장(1)에 관한 발명으로 내연기관(10)과, 전력공급부(20)와, CO2공급부(30)와, 열공급부(40)와, 수분제거부(50)와, 센서부(60)와, 제어부(70)를 포함하여 구성된다.
상기 내연기관(10)은 연료의 연소 에너지를 이용하여 구동축(13)을 회전시키고, 이산화탄소를 포함한 배출가스를 배기관(14)으로 배출하는 구성이다.
상기 내연기관(10)은 연료로 LPG, 디젤, 기솔린, 천연가스, 바이오디젤 혹은 이들의 혼합연료를 사용할 수 있다할 것인데, 연료통(11)으로부터 연료관(12)을 통해 연료가 공급되면서 운전이 된다.
상기 전력공급부(20)는 자체적으로 전기를 생산하여 상기 전기시설(1b)에 공급하는 구성으로 본 발명의 제1실시예에서는 발전기(21)와, AC-DC 컨버터(22)와, 축전지(23)와, DC-AC 컨버터(24)를 포함하여 구성된다.
상기 발전기(21)는 상기 내연기관(10)의 구동축(13)에 연결되어 회전되며 전기를 생산하는 구성으로 상기 발전기(21)에서 생산된 전기는 상기 식물공장(1) 내의 인공 광원을 포함하는 전기시설(1b)에 직접 공급되기도 하고, 상기 발전기(21)에서 생산된 전기량이 많을 경우 AC-DC 컨버터(22)를 거쳐 직류로 변환한 후 축전지(23)에 저장하여 두었다가, 상기 식물공장(1) 내의 CO2 농도가 충분히 높아 제어부(70)의 제어에 의해 상기 내연기관(10)의 가동이 중단될 경우 상기 충전지(23)에 비축된 전기가 DC-AC 컨버터(24)를 거쳐 상기 전기시설(1b)에 공급되도록 구성된다.
상기 CO2공급부(30)는 상기 식물공장(1)에 수용된 식물(1a)의 탄소동화작용에 필요한 이산화탄소를 공급하는 구성으로 본 발명의 제1실시예에서는 촉매(31)와, CO2공급관(32)과, 배기전환밸브(33)를 포함하여 구성된다.
상기 촉매(31)는 상기 내연기관(10)의 배기관(14)으로 배출되는 배출가스를 정화하는 구성이다.
상기 내연기관(10)의 운전은 이론공연비 운전 혹은 희박공연비 운전을 기본으로 하는데, 상기 내연기관(10)이 이론공연비에서 운전을 할 경우, 배출가스는 상기 촉매(31)를 통하여 HC(탄화수소), CO(일산화탄소)는 H2O(물), CO2(이산화탄소)로 정화되고, NOx는 N2(질소), O2(산소)로 정화된다.
한편, 상기 내연기관(10)의 운전 조건이 이론공연비일 경우 상기 촉매(31)는 삼원촉매(백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh)를 기본으로 하는 촉매를 장착하여 배출가스 중의 HC, CO, NOx(질소산화물질)을 동시에 제거함)를 장착하여 식물 성장에 장애요인이 되는 유해성분 HC, CO, NOx 등의 성분을 제거하도록 구성되고, 상기 내연기관(10)이 희박공연비 조건에서 운전될 경우는 산화촉매와 질소산화물질촉매(LNT, lean NOx trap, NH3-SCR(selective catalytic reduction) 촉매)를 사용하여 배출가스를 정화시키도록 구성된다.
상기 CO2공급관(32)은 상기 촉매(31)를 통해 정화된 배출가스를 상기 식물공장(1)으로 공급하는 구성이다.
상기 배기전환밸브(33)는 상기 CO2공급관(32)상에 설치되고, 센서부(60)의 CO2농도센서(61)에서 측정된 이산화탄소 농도에 따라 제어부(70)에 의해 작동이 제어되며 상기 촉매(31)를 통해 정화된 배출가스의 흐름을 외부 또는 상기 식물공장(1)으로 전환 가능하도록 하는 구성이다.
즉, 상기 CO2농도센서(61)에서 설정값 이상의 CO2농도가 측정되는 경우 상기 배기전환밸브(33)의 구성에 의하여 상기 내연기관(10)의 배출가스를 상기 식물공장(1)의 외부로 배기할 수 있게 되어 상기 식물공장(1) 내부의 이산화탄소 농도를 적절한 값으로 유지할 수 있게 되는 것이다.
참고로 원예작물종에 따른 하우스시설 내 적정 이산화탄소 농도는 아래의 [표 1]과 같다.
구 분 이산화탄소 최적 농도범위(단위: ppm)
엽채류
근채류
과채류
오이, 피망, 가지, 강남콩
토마토, 멜론, 딸기		 1,500～2,500
1,000～3,000
500～1,500
800～1,500
500～800
상기 열공급부(40)는 제어부(70)에 의해 제어되며 상기 식물공장(1) 내부를 난방 또는 냉방하여 상기 식물공장(1) 내부의 온도를 설정된 값으로 유지하기 위한 구성으로 본 발명의 제1실시예에서는 열교환기(41)와, 난방기(42)와, 흡수식 냉동기(43)와, 라디에이터(45)를 포함하여 구성된다.
상기 열교환기(41)는 상기 내연기관(10)의 배기관(14)상에 설치되어 상기 내연기관(10)의 배기관(14)으로 배출되는 배출가스로부터 열을 회수하는 구성이다.
상기 열교환기(41)는 물, 냉매, 에탄올 등의 열회수물질을 이용하여 열을 회수하고, 상기 난방기(42)의 구성인 에너지저장탱크(421)와의 사이에서 열회수물질의 폐회로(421a)를 형성하도록 구성된다.
본 발명의 제1실시예에서 상기 열교환기(41)에서 회수된 열은 상기 난방기(42) 또는 상기 흡수식 냉동기(43)로 공급되어 난방 또는 냉방에 이용된다.
한편, 상기 열교환기(41)를 통해 회수된 열이 흐르도록 하고 그 열의 흐름을 제어부(70)에 의해 작동이 제어되며 상기 난방기(42) 또는 상기 흡수식 냉동기(43)로 전환가능하도록 상기 열교환기(41)와 연결된 회수열공급라인상(L)에는 회수열순환펌프(411) 및 회수열흐름전환밸브(412)가 설치된다.
즉, 상기 센서부(60)의 온도센서(62)에서 측정된 온도에 따라 상기 회수열흐름전환밸브(412)가 상기 난방기(42) 또는 상기 흡수식 냉동기(43) 상호간 전환됨으로써 난방 또는 냉방이 가능하여 상기 식물공장(1) 내부의 온도를 설정된 값으로 유지할 수 있게 되는 것이다.
상기 난방기(42)는 상기 열교환기(41)를 통해 회수된 열을 난방라인(HL)을 통해 상기 식물공장(1)으로 공급하는 구성으로 에너지저장탱크(421)와, 저장에너지분배펌프(422)를 포함하여 구성된다.
상기 에너지저장탱크(421)는 상기 열교환기(41)와 열회수물질의 폐회로(421a)를 형성하며 내부에 충진된 물 등의 열저장유체를 이용하여 상기 열교환기(41)를 통해 회수된 열을 저장하는 구성이다.
상기 저장에너지분배펌프(422)는 상기 난방라인(HL)상에 설치되고, 제어부(70)에 의해 제어되며 상기 에너지저장탱크(421)에 저장된 열을 상기 식물공장(1)의 내부에 배치된 라디에이터(45)에 공급하여 난방을 하기 위한 구성이다.
상기 흡수식 냉동기(43)는 상기 열교환기(41)를 통해 회수된 열을 이용하여 냉기를 생성하고, 생성된 냉기를 냉기순환펌프(431)의 작동에 의해 냉방라인(CL)을 통해 상기 식물공장(1)으로 공급하는 구성이다.
상기 흡수식 냉동기(43)는 통상 재생기(발생기), 응축기, 증발기, 흡수기 등로 구성되는데, 상기 흡수식 냉동기(43)의 냉매로서는 물을 사용하고, 흡수액으로서 브롬화 리듐 수용액을 사용한다.
한편, 상기 흡수식 냉동기(43)를 상기 식물공장(1)의 냉방에 사용하면, 압축 행정은 기계적 방법이 아닌 열원 공급에 의한 온도차를 이용하므로 가동 부분이 적어 소음과 진동이 적고, 열원으로 상기 열교환기(41)를 통해 회수된 열을 이용하므로 열원 설비가 적으며, 용액과 공급 증기 제어로 용량 제어가 가능하고, 부하의 변동에도 안정적인 장점을 갖게 된다.
상기 냉기순환펌프(431)는 상기 냉방라인(CL)상에 설치되고, 제어부(70)에 의해 제어되며 상기 흡수식 냉동기(43)에서 생성된 냉기를 상기 식물공장(1)의 내부에 배치된 라디에이터(45)에 공급하여 냉방을 하기 위한 구성이다.
상기 수분제거부(50)는 제어부(70)에 의해 제어되며 상기 식물공장(1)으로 이산화탄소의 공급을 위해 공급되는 배출가스로부터 수분을 제거하기 위한 구성으로 본 발명의 제1실시예에서는 상기 CO2공급관(32)상에 설치되어 통과되는 배출가스로부터 수분을 제거하는 응축수트랩(51)을 포함하여 구성된다.
상기 식물공장(1)으로 공급되는 상기 내연기관(10)의 배출가스에서는 다량의 수분이 함유되어 있고, 상기 식물공장(1) 내의 습도가 지나치게 높은 경우 식물(1a)의 잎에 곰팡이균의 번식이 쉽기 때문에 습도를 통상 40% 이하로 유지해야할 필요성이 있게 된다.
즉, 상기 센서부(60)의 습도센서(63)에서 설정값 이상의 습도가 측정되는 경우 제어부(70)는 상기 응축수트랩(51)을 작동시켜 상기 식물공장(1) 내부의 습도를 적절하게 유지할 수 있게 되는 것이다.
상기 센서부(60)는 상기 식물공장 내부의 이산화탄소 농도, 온도 및 습도를 측정하는 구성으로 본 발명의 제1실시예에서는 CO2농도센서(61), 온도센서(62) 및 습도센서(63)를 포함하여 구성된다.
상기 CO2농도센서(61), 온도센서(62) 및 습도센서(63)는 일반적으로 사용되는 센서이므로 그 구성에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 제어부(70)는 상기 내연기관(10) 및 상기 전력공급부(20)의 작동을 제어하고, 상기 센서부(60)에서 측정된 값에 따라 상기 CO2공급부(30), 상기 열공급부(40) 및 수분제거부(50)의 작동을 제어하는 구성이다.
상기 제어부(70)는 상기 내연기관(10)을 작동시키고, 상기 전력공급부(20)의 작동을 제어하는데, 상기 식물공장(1) 내의 CO2 농도가 충분히 높은 경우 상기 내연기관(10)의 가동을 중단시킨다.
한편, 상기 발전기(21)에서 생산된 전기는 상기 식물공장(1) 내의 인공 광원을 포함하는 전기시설(1b)에 직접 공급되도록 제어하고, 상기 발전기(21)에서 생산된 전기량이 많을 경우 AC-DC 컨버터(22)를 거쳐 직류로 변환한 후 축전지(23)에 저장하여 두었다가, 상기 식물공장(1) 내의 CO2 농도가 충분히 높아 상기 제어부(70)에 제어에 의해 상기 내연기관(10)의 가동이 중단될 경우 상기 충전지(23)에 비축된 전기가 DC-AC 컨버터(24)를 거쳐 상기 전기시설(1b)에 공급되도록 제어한다.
또한, 상기 제어부(70)는 상기 CO2농도센서(61)에서 설정값 이상의 CO2농도가 측정되는 경우 상기 내연기관(10)의 배출가스가 상기 식물공장(1)의 외부로 배기되도록 상기 배기전환밸브(33)를 제어하여 상기 식물공장(1) 내부의 이산화탄소 농도가 설정값으로 유지되도록 제어한다.
또한, 상기 제어부(70)는 상기 온도센서(62)에서 측정된 온도에 따라 상기 회수열흐름전환밸브(412)가 상기 난방기(42) 또는 상기 흡수식 냉동기(43) 상호간 전환되도록 하여 난방 또는 냉방이 가능하도록 함으로써 상기 식물공장(1) 내부의 온도가 설정된 값으로 유지되도록 제어한다.
또한, 상기 제어부(70)는 상기 습도센서(63)에서 설정값 이상의 습도가 측정되는 경우 상기 응축수트랩(51)을 작동시켜 상기 식물공장(1) 내부의 습도를 설정된 값으로 유지되도록 제어한다.
이상에서는 본 발명의 제1실시예에 따른 내연기관을 이용한 독립적 식물공장에 대하여 살펴보았고, 이하에서는 본 발명의 제2실시예 및 제3실시예에 따른 내연기관을 이용한 독립적 식물공장을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 내연기관을 이용한 독립적 식물공장의 개념도이다.
도 3을 살펴보면, 본 발명의 제2실시예에 따른 내연기관을 이용한 독립적 식물공장은 본 발명의 제1실시예와 마찬가지로 내연기관(10)과, 전력공급부(20)와, CO2공급부(30)와, 열공급부(40)와, 수분제거부(50)와, 센서부(60)와, 제어부(70)를 포함하여 구성된다.
상기 열공급부(40)의 구성을 제외한 다른 구성은 본 발명의 제1실시예와 동일하므로 이하에서는 상기 열공급부(40)에 대해서만 상세하게 살펴보기로 한다.
본 발명의 제2실시예에 따른 상기 열공급부(40)는 열교환기(41)와, 난방기(42)와, 히트펌프(44)와, 라디에이터(45)를 포함하여 구성된다
즉, 본 발명의 제1실시예에서의 흡수식 냉동기를 대체하여 본 발명의 제2실시예에서는 냉방은 물론 난방 또한 가능한 히트펌프(44)를 사용한 것이다.
상기 히트펌프(44)는 상기 내연기관(10)의 구동축(13)에 냉동사이클의 압축기가 연결되어 냉기 또는 온기를 생성하고 생성된 냉기 또는 온기를 냉온기순환펌프(441)의 작동에 의해 냉난방라인(CHL)을 통해 상기 식물공장(1)으로 공급하는 구성이다.
즉, 상기 히트펌프(44)는 압축기, 증발기, 팽창밸브 및 응축기의 냉동사이클로 구성되는데, 압축기가 상기 내연기관(10)의 구동축(13)에 연결되어 작동되는 경우 냉매가 순환하면서 증발기에서는 냉기를 생성하고, 응축기에서는 온기를 생성하게 되는 것이다.
한편, 상기 히트펌프(44)는 상기 내연기관(10)의 구동축(13)에 벨트(B) 및 오토클러치(442)로 연결되고, 상기 제어부(70)는 상기 온도센서(62)에서 측정된 온도에 따라 상기 오토클러치(442)를 제어함으로써 상기 히트펌프(44)의 작동을 제어하도록 구성된다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 내연기관을 이용한 독립적 식물공장의 개념도이다.
도 4을 살펴보면, 본 발명의 제3실시예에 따른 내연기관을 이용한 독립적 식물공장은 본 발명의 제1, 2실시예와 마찬가지로 내연기관(10)과, 전력공급부(20)와, CO2공급부(30)와, 열공급부(40)와, 수분제거부(50)와, 센서부(60)와, 제어부(70)를 포함하여 구성된다.
상기 열공급부(40)의 구성을 제외한 다른 구성은 본 발명의 제1, 2실시예와 동일하므로 이하에서는 상기 열공급부(40)에 대해서만 살펴보기로 한다.
본 발명의 제3실시예에 따른 상기 열공급부(40)는 열교환기(41)와, 난방기(42)와, 흡수식 냉동기(43)와, 히트펌프(44)와, 라디에이터(45)를 포함하여 구성된다
즉, 본 발명의 제3실시예는 상기 열공급부(40)가 본 발명의 제1, 2실시예에서 공통으로 사용되는 난방기(42)와, 냉동기로서 본 발명의 제1실시예에서 사용된 흡수식 냉동기(43)와, 냉난방기로서 본 발명의 제2실시예에서 사용된 히트펌프(44)를 모두 조합하여 구성한 것을 특징으로 하는 것이다.
상기 흡수식 냉동기(43)는 전술한 바와 같이 상기 식물공장(1)의 냉방에 사용하면, 압축 행정은 기계적 방법이 아닌 열원 공급에 의한 온도차를 이용하므로 가동 부분이 적어 소음과 진동이 적고, 열원으로 상기 열교환기(41)를 통해 회수된 열을 이용하므로 열원 설비가 적고, 용액과 공급 증기 제어로 용량 제어가 가능하며, 부하가 변동에도 안정적인 장점이 있게 되는데, 경우에 따라 상기 흡수식 냉동기(43)가 고장나거나 또는 상기 흡수식 냉동기(43) 만으로는 냉방 용량이 부족한 경우 나아가 상기 난방기(42) 만으로는 난방 용량이 부족한 경우 상기 내연기관(10)의 동력을 이용하여 냉방 또는 난방할 수 있는 히트펌프(44)를 작동시켜 상기 식물공장(1)의 확실한 온도유지를 도모할 수 있게 되는 것이다.
앞에서 설명되고 도면에 도시된 내연기관을 이용한 독립적 식물공장은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 이하의 특허청구범위에 기재된 사항에 의해서만 정하여지며, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 개량 및 변경된 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속한다고 할 것이다.
1 식물공장
1a 식물 1b 전기시설
10 내연기관
11 연료통 12 연료관 13 구동축 14 배기관
20 전력공급부
21 발전기 22 AC-DC 컨버터 23 축전기 24 DC-AC 컨버터
30 CO2공급부
31 촉매 32 CO2공급관 33 배기전환밸브
40 열공급부
41 열교환기
L 회수열공급라인
411 회수열순환펌프 412 회수열흐름전환밸브
42 난방기
HL 난방라인
421 에너지저장탱크 422 저장에너지분배펌프
43 흡수식 냉동기
CL 냉방라인 431 냉기순환펌프
44 히트펌프
B 벨트 CHL 냉난방라인 441 냉온기순환펌프
45 라디에이터
50 수분제거부
51 응축수트랩
60 센서부
61 CO2농도센서 62 온도센서 63 습도센서
70 제어부

Claims (8)

  1. 재배를 위한 식물이 수용되고, 식물의 생장에 필요한 인공 광원을 포함하는 전기시설이 설비된 식물공장에 있어서,
    연료의 연소 에너지를 이용하여 구동축을 회전시키고, 이산화탄소를 포함한 배출가스를 배기관으로 배출하는 내연기관과;
    상기 전기시설에 전력를 공급하도록 상기 내연기관의 구동축에 연결되어 회전되며 전기를 생산하는 발전기를 포함하여 구성된 전력공급부와;
    상기 내연기관의 배기관으로 배출되는 배출가스를 정화하는 촉매와, 상기 촉매를 통해 정화된 배출가스를 상기 식물공장으로 공급하는 CO2공급관을 포함하여 구성된 CO2공급부와;
    상기 내연기관의 배기관으로 배출되는 배출가스로부터 열을 회수하는 열교환기와, 상기 열교환기를 통해 회수된 열을 난방라인을 통해 상기 식물공장으로 공급하는 난방기를 포함하여 구성된 열공급부와;
    상기 식물공장 내부의 이산화탄소 농도 및 온도를 측정하는 센서부와;
    상기 내연기관 및 상기 전력공급부의 작동을 제어하고, 상기 센서부에서 측정된 값에 따라 상기 CO2공급부 및 상기 열공급부의 작동을 제어하는 제어부를; 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관을 이용한 독립적 식물공장.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 CO2공급관상에 설치되어 통과되는 배출가스로부터 수분을 제거하는 응축수트랩을 포함하여 구성된 수분제거부를; 더 포함하고,
    상기 센서부는, 상기 식물공장 내부의 습도를 더 측정하며,
    상기 제어부는, 상기 센서부에서 측정된 습도에 따라 상기 수분제거부의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 내연기관을 이용한 독립적 식물공장.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열공급부는, 상기 열교환기를 통해 회수된 열을 이용하여 냉기를 생성하고 생성된 냉기를 냉방라인을 통해 상기 식물공장으로 공급하는 흡수식 냉동기와, 상기 열교환기를 통해 회수된 열의 흐름을 상기 난방기 또는 상기 흡수식 냉동기로 전환가능하도록 상기 열교환기와 연결된 회수열공급라인상에 설치된 회수열흐름전환밸브를 더 포함하여 구성되고,
    상기 제어부는, 상기 센서부에서 측정된 온도에 따라 상기 회수열흐름전환밸브의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 내연기관을 이용한 독립적 식물공장.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 열공급부는, 상기 열교환기를 통해 회수된 열이 상기 회수열흐름전환밸브를 통해 상기 난방기 또는 상기 흡수식 냉동기로 흐르도록 상기 회수열공급라인상에 설치된 회수열순환펌프와, 상기 흡수식 냉동기에서 생성된 냉기를 상기 식물공장으로 공급하도록 상기 냉방라인상에 설치된 냉기순환펌프를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 내연기관을 이용한 독립적 식물공장.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 CO2공급부는, 상기 촉매를 통해 정화된 배출가스의 흐름을 외부 또는 상기 식물공장으로 전환가능하도록 상기 CO2공급관상에 설치된 배기전환밸브를 더 포함하여 구성되고,
    상기 제어부는, 상기 센서부에서 측정된 이산화탄소 농도에 따라 상기 배기전환밸브의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 내연기관을 이용한 독립적 식물공장.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 난방기는, 상기 열교환기와 열회수물질의 폐회로를 형성하며 상기 열교환기를 통해 회수된 열을 저장하는 에너지저장탱크와, 상기 에너지저장탱크에 저장된 열을 상기 식물공장으로 공급하도록 상기 난방라인상에 설치된 저장에너지분배펌프를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 내연기관을 이용한 독립적 식물공장.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 열공급부는, 상기 내연기관의 구동축에 냉동사이클의 압축기가 연결되어 냉기 또는 온기를 생성하고 생성된 냉기 또는 온기를 냉난방라인을 통해 상기 식물공장으로 공급하는 히트펌프를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 내연기관을 이용한 독립적 식물공장.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 열공급부는, 상기 열교환기를 통해 회수된 열이 상기 회수열흐름전환밸브를 통해 상기 난방기 또는 상기 흡수식 냉동기로 흐르도록 상기 회수열공급라인상에 설치된 회수열순환펌프와, 상기 히트펌프에서 생성된 냉기 또는 온기를 상기 식물공장으로 공급하도록 상기 냉난방라인상에 설치된 냉온기순환펌프를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 내연기관을 이용한 독립적 식물공장.
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