KR20150049406A - 다층 식물공장용 에너지 공급 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다층 식물공장용 에너지 공급 시스템에 관한 것으로, 건물의 위치에너지를 이용하여, 전력을 저장하는 상부 저장조; 야간 LED 조명의 전력공급을 위해 주간 잉여전력(예: 열병합발전 전력) 및 신재생 발전전력을 건물 위치에너지를 이용하여 저장한 후, 야간에 일정기간 동안 전력을 생산하여 LED 조명전력으로 이용하도록 하는 소수력 발전부; 식물 생육을 위한 열 공급 및 이산화탄소 시비용의 축열조 및 이산화탄소 저장조로 구성된 건물 내재형 에너지 저장부; 지상층 및 지하층의 식물 생육공간에 태양광을 각각 채광, 공급하는 제1 및 제2 채광부로 구성되며, 지상층의 층별, 층고 조절부를 이용하여 식물의 생육에 필수적인 태양 에너지를 원활하게 유입하기 위한 건물 층고 조절부를 포함한다.

Description

다층 식물공장용 에너지 공급 시스템{Energy Supply System for Multi-Story Plant factory}

본 발명은 다층 식물공장용 에너지 공급 시스템에 관한 것으로, 특히 제한된 면적의 토지 위에 다층의 건물 구조를 구성하고, 각층마다 식물의 재배가 가능하도록 구성되는 식물공장(Plant factory)에 있어서, 식물의 생육에 필요한 에너지를 효율적으로 공급할 수 있는 다층 식물공장용 에너지 공급 시스템에 관한 것이다.

식물공장은 폐쇄공간 내에서 식물생장 환경조건을 인공적으로 조성하고 식물의 생장속도를 제어하여 식물을 대량으로 생산할 수 있는 공장을 의미한다. 식물공장과 관련하여, Joseph W. Campbell 등이 1978년 미국 등록특허 4,068,405호에서“자동식물생산(automatic food plant production)”의 개념을 제안하였다.

이들은 연속형 컨베이어벨트에 트레이형 식물 경작지를 구성하고 인공광을 설치하고 주기적으로 켄베이어가 이동하도록 하였다. 또한, 양액을 중앙에서 공급할 수 있도록 양액 공급망을 설치하고, 실내에는 식물생장을 위해 온도, 습도 및 이산화탄소 농도 등이 제어될 수 있도록 하였다.

이러한 발명은 식물공장의 대량생산기술을 제안했다는 면에서 기술적으로 중요한 발전이었다. 그러나, 환경구축시 환경조절의 정밀도가 낮고, 냉난방 비용이 높으며, 인공 광원의 설치 및 운영비가 높아 실용화가 매우 저조한 문제점이 있었다.

최근에는, 인공 광원으로서 종래의 형광등에 비하여 효율이 우수한 LED(Ligh -t Emitting Diode)를 활용한 식물공장과 관련한 발명이 보고되었다. 한국 공개특허 제10-2004-0010426호(엘이디 광원을 이용한 색소식물공장 및 그 장치)에서는 색소식물을 재배하는데 있어서 좁은 공간에서 생산효율을 높이고 단시간에 재배가 가능하도록 만들어진 폐쇄형 엘이디(LED) 식물공장으로서 원적외색광 730nm, 적색광 660nm, 및 청색광 450nm의 엘이디 램프를 광원으로 사용한다.

추가적으로, 배양액의 자외선 살균장치와 오존 살균장치가 구성되며, 용존산소 공급장치를 이용하여 배양액의 용존산소를 공급할 수 있도록 하였다. 재배형식은 엔에프티(NFT, Nutrient Film Technique) 및 분무식 수경재배 시스템을 이용한다.

또한, 식물공장 내 공간점유를 최소화하여 식물재배공간을 극대화하기 위해 복수의 엘이디 모듈을 투광패널에 삽입하고, 슬림한(slim) 패널 형태로 제작하는 식물재배용 조명장치가 한국 공개특허 제10-2011-0013164호에서 보고된 바 있다. 이는 조명장치의 공간을 줄이고, 구성이 간단한 특징이 있다.

최근에는 많은 기술들이 주로 LED를 사용하고, 광원을 다양화하여 식물생장을 촉진하는 분야로 집중되고 있다. 그러나, 이와 같은 기술들은 고가의 LED를 많이 설치해야 하기 때문에 시설비용이 높은 구조라고 볼 수 있다.

폐쇄형 식물공장은 기존의 밀폐형 철근 콘크리트나 철골구조의 건물 속에 태양광없이 인공광만으로 식물의 성장을 유도하는 방식이기 때문에 건물에 대한 환경조절이 쉬운 반면에, 시설비용이 비싼 단점이 있으며, 인공 광원만을 사용하는 빌딩형 식물공장 형태로 발전하고 있다.

태양광 병용형은 기존의 유리온실과 식물공장의 기술적 개념을 융합한 것으로, 인공조명과 태양광을 동시에 사용하는 조명을 갖는 기술적 특징을 갖는다. 기존의 유리온실은 투명한 유리로 외피를 구성하기 때문에 태양광 투과율이 약 90%를 나타낸다.

유리온실의 단점으로는 단열성이 우수하지 못하기 때문에 여름철이나 겨울철에 실내 냉난방 에너지 비용이 높으며, 실내 환경변수인 광원, 온도 및 습도의 변화가 심한 단점이 있다.

또한, 다층화가 어렵기 때문에 공간을 효율적으로 사용하지 못하는 문제점들이 있었다. 한편, 장점으로는 낮에는 주로 태양광을 사용하고 인공조명을 보조로 사용하며, 밤에는 인공광만을 사용함으로써, 광원설치 비용을 줄일 수 있다.

기존의 태양광 병용형의 경우, 단층형 건물이 대부분이기 때문에 공간이 효율적으로 활용되지 못하고, 겨울철에는 난방비가 높고 여름철에는 냉방비가 높아 에너지 비용이 높은 구조적 문제점들이 있었다.

이에, 식물공장에서 식물의 생육 촉진을 위해 소요되는 막대한 에너지를 비용면에서 효과적으로 공급할 수 있는 에너지 공급수단의 필요성이 대두되었다.

또한, 다층의 건물 구조물을 이용한 대량 식물 생산용 식물공장에 있어서, 주간의 태양광 채광, 야간의 LED 조명, 온실 단열, 이산화탄소 시비 등 생육 촉진에 필요한 필수 에너지 및 조명에 소요되는 막대한 양의 전력 소비에 대응하기 위한 효과적인 에너지 저장 및 공급방안 강구의 필요성이 대두되었다.

채광성이 우수한 다층의 태양광 병용형 건축구조, 열에너지 손실이 적은 외피구조, 재배 셀 단위의 스마트 조명, 재배 셀의 경작지 자동이송, 식물단위별 양액공급 및 관리체계로 구성된 고효율 태양광 병용형의 식물공장 시스템이 개발되어 한국등록특허 10-1272532호로 등록된바 있다.

또한, 식물공장에서 사용되는 광원과 재배장치를 일체형으로 구성한 광원 일체형 작물재배 시스템이 개발되어 한국공개특허 10-2012-0074128호로 출원된바 있다.

그러나, 상기 발명들로는 상기 문제점들을 해소할 수 없었으며, 상기 문제점들을 해소할 수 있는 다층 식물공장용 에너지 공급 시스템은 없었다.

KR 10-1272532 B1 KR 10-2012-0074128 A

본 발명은 상기 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 제한된 면적의 토지 위에 다층의 건물 구조를 구성하고, 각층마다 식물의 재배가 가능하도록 구성되는 식물공장(Plant factory)에 있어서, 식물의 생육에 필요한 에너지를 효율적으로 공급할 수 있는 다층 식물공장용 에너지 공급 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다층 식물공장용 에너지 공급 시스템은 건물의 위치에너지를 이용하여, 전력을 저장하는 상부 저장조; 야간 LED 조명의 전력공급을 위해 주간 잉여전력(예: 열병합발전 전력) 및 신재생 발전전력을 건물 위치에너지를 이용하여 저장한 후, 야간에 일정기간 동안 전력을 생산하여 LED 조명전력으로 이용하도록 하는 소수력 발전부; 식물 생육을 위한 열 공급 및 이산화탄소 시비용의 축열조 및 이산화탄소 저장조로 구성된 건물 내재형 에너지 저장부; 지상층 및 지하층의 식물 생육공간에 태양광을 각각 채광, 공급하는 제1 및 제2 채광부로 구성되며, 지상층의 층별, 층고 조절부를 이용하여 식물의 생육에 필수적인 태양 에너지를 원활하게 유입하기 위한 건물 층고 조절부를 포함한다.

상기 소수력 발전부는 최상층의 상기 상부 저장조에 저장된 물을 낙하시켜 터빈을 가동하여, 전력을 생산하는 소수력 터빈; 낙하된 물을 별도로 저장하며, 최하층에 위치하는 지하 저장조를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 건물 내재형 에너지 저장부는 그 내부에 에너지 및 이산화탄소를 저장하는 저장부로 구성되는 고정형 구조와, 그 외곽에 식물의 생육을 위한 공간으로 상기 건물 층고 조절부가 구비되어 건물의 높이 변화가 가능한 변동형 구조의 이중구조로 구성되며, 상기 고정형 구조의 내부에는 이산화탄소 시비용 이산화탄소(CO₂)를 저장하는 이산화탄소 저장조가 구성되고, 그 외부에는 물을 이용하는 축열조가 구성된다.

본 발명은 화석연료를 이용하며, 배기가스를 정제하여 이산화탄소 시비용 이산화탄소(CO₂)를 생산하여 상기 이산화탄소 저장조에 저장한 후, 필요시 각 층에 공급하도록 하는 열병합 발전부를 추가로 포함한다.

상기 열병합 발전부에서 생산된 전력은 그리드에 연계하여 판매되거나, 필요시, 지상의 취수원으로부터 최상층의 상기 상부 저장조로 물을 이송하는 펌프의 동력원으로 공급되어 위치에너지를 이용한 전력 저장을 위해 사용된다.

상기 펌프는 신재생 발전원(태양광, 풍력 등)과 연계되기도 하며, 단속적인 신재생 발전원을 감안하여 인버터 형식의 펌프가 적용되는 것이 바람직하다.

상기 열병합 발전부에서 발생하는 잉여 폐열은 내부에 구비되는 상기 축열조와의 열교환을 통해 축열되며, 상기 축열조는 건물 내부에 위치하므로 상기 축열조에서 외기와의 온도차에 의한 방열 에너지도 대기중으로 버리지 않고 식물의 생육공간의 난방에 재활용될 수 있는 것을 특징으로 한다.

지상층에 위치한 생육공간에 태양에너지를 공급하기 위한 상기 제1 채광부는 해당 면적 전체가 반사판으로 구성되는 제1 상판과 전체 면적 중 일부만 반사판으로 구성되는 제1 하판을 포함한다.

상기 제1 상판은 작업자의 재실(在室)시 눈부심 등으로 인한 안전을 위해 각 층의 천정면을 기준으로 축 회전(pivot)이 가능하여 각도 조절이 가능하며, 반사로 인한 눈부심을 방지하기 위해 90도의 각도로 회전할 수 있도록 구성될 수도 있으며, 효과적인 각도 조절을 위해 다수의 모듈로 구성되는 것이 바람직하다.

야간의 조명을 공급하기 위한 LED 조명장치는 상기 제1 상판 위에 설치되고, 효과적인 LED 조명의 공급을 위해, 상기 제1 상판은 90도 위치에 위치하게 되며, 높이 조절이 가능한 상기 LED 조명장치는 상기 제1 상판에 의한 간섭을 방지하기 위해 상기 제1 상판의 90도 위치에서의 최말단보다 하단에 위치하는 것을 특징으로 한다.

지하층에 태양광을 공급하기 위한 상기 제2 채광부로는 광덕트가 사용되며, 효과적인 산광을 위해 지상층의 상기 제1 채광부와 동일한 반사판 구조가 적용될 수도 있다.

본 발명은 상기 열병합 발전부의 잉여 폐열을 회수하여, 축열조로 공급하기 위한 온수 열공급 배관 및 잉여의 전력 중 위치에너지의 저장능력을 초과하는 전력을 열 에너지로 전환하기 위한 주울 히터(joule heater)를 추가로 포함한다.

본 발명은 각 층별로 온도 유지를 위한 열 에너지 공급이 필요할 때, 축열된 열 에너지를 이용할 수 있도록 하는 열공급 열교환기를 추가로 포함한다.

본 발명의 다층 식물공장용 에너지 공급 시스템이 적용되는 건물에는 지상층의 층별, 층고 조절을 위해 유압 리프트가 장착된 기둥(유압기둥)이 설치된다.

본 발명은 상기 유압 리프트를 통해 각층의 높이를 일정구간 임의로 조정함으로써, 일사조건에 따라 층 내부로 유입되는 일조량을 조절 가능한 것을 특징으로 한다.

상기 유압기둥의 개수는 층별로 달리할 수 있으며, 하층일수록 상층의 부하를 추가적으로 감당해야 하므로 상기 유압기둥의 개수가 증가하는 것이 바람직하다.

본 발명은 상기 유압기둥을 이용하여 지상층의 높이를 조절할 경우, 층간 높이 변경에 따른 이격 거리에 맞추어 온실 유리의 분리 및 교체가 손쉽게 가능하도록 하는 온실유리 교체 시스템을 추가로 포함한다.

본 발명은 상기 지하 저장조로부터 발생하는 스팀을 상부로 이송시키기 위한 스팀 연결관을 추가로 포함한다.

상기한 바와 같이 구성되는 본 발명은 기존의 LED 조명을 이용한 식물 공장 채광에 소요되는 대규모의 전력량을 신재생 발전원의 효과적인 저장, 재발전을 통해 일정 부분 감당함으로써, 식물공장 운영에 소요되는 전력수요의 부담을 경감할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 건물내의 에너지 저장부의 구조를 통해 온실 운영을 위해 필요한 열 공급의 용이성을 크게 개선하였으며, 특히 축열조의 운영시 부득이하게 방열되는 열 에너지를 건물 내부에서 흡수할 수 있도록 하여 에너지 이용 효율을 개선할 수 있는 효과가 있다.

그리고, 본 발명은 식물공장의 건물의 층간 고저를 조절할 수 있도록 하여 식물 생육에 따른 공간 확보와, 이에 따라 식물 생육에 필수적인 태양 에너지의 채광을 실내 깊숙이까지 유도할 수 있도록 함으로써, 식물 생장에 따른 효과적인 채광 및 식물공장 주변여건 변화(예: 인근 고층빌딩 건립 등)에 따른 채광조건 변동에 능동적으로 대응할 수 있는 효과가 있다.

그리고, 본 발명은 식물 생육에 가장 중요한 수단인 효과적인 채광을 제공할 수 있는 건물 층간의 고저 조절 시스템을 통해 유효한 시간대에 최상층부를 제외한 각 층으로의 태양 에너지의 채광을 효과적으로 증대함으로써, 식물 생육을 촉진시켜 경제성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 지상층뿐 아니라, 지하층까지 효과적인 채광 및 에너지 공급 시스템의 제공을 통해 제한된 면적에서의 식물의 생육면적을 극대화하여 식물공장 운영의 경제성을 향상시킬 수 있으며, 지하층 식물의 생육에 필요한 물을 지하 저장조로부터 공급받도록 함으로써, 식물 생육에 필요한 물 공급과 소수력 발전을 위한 지하 저장조의 공간확보를 동시에 달성함으로써, 식물공장 운영 효율을 개선할 수 있는 효과를 추가로 달성할 수 있다.

그리고, 본 발명은 이산화탄소 시비를 위한 CO₂ 저장 및 공급 시스템을 구비함으로써, 식물 생육을 더욱 증대시켜 식물공장 운영의 경제성에 기여할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 주간 신재생 에너지 발전원을 저장하여, 야간조명 전력부하의 공급을 위한 발전원으로의 활용이 가능해짐에 따라, 인공조명(LED) 이용시간의 증대를 통해 식물 생육을 촉진시켜 경제성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 다층 식물공장용 에너지 공급 시스템의 구성을 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 최상층을 제외한 지상의 각 층으로의 생육에 필요한 충분한 채광을 위한 채광 시스템의 구성을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일부 구성요소인 열공급 열교환기를 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 층별 층고 조절을 위해 유압 리프트가 장착된 기둥이 설치된 상태를 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 유압 리프트를 통해 각층의 높이를 일정구간 임의로 조정함으로써, 일사조건에 따라 층 내부로 유입되는 일조량을 조절 가능함을 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 유압기둥이 건물에 설치되는 상태를 도시한 상면도.
도 7은 본 발명에 따른 온실 구조를 위한 외벽의 구조를 도시한 도면.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다층 식물공장용 에너지 공급 시스템은 건물의 위치에너지를 이용하여, 전력을 저장하는 상부 저장조(194); 야간 LED 조명의 전력공급을 위해 주간 잉여전력(예: 열병합발전 전력) 및 신재생 발전전력을 건물 위치에너지를 이용하여 저장한 후, 야간에 일정기간 동안 전력을 생산하여 LED 조명전력으로 이용하도록 하는 소수력 발전부(450); 식물 생육을 위한 열 공급 및 이산화탄소 시비용의 축열조(190) 및 이산화탄소 저장조(192)로 구성된 건물 내재형 에너지 저장부(350); 지상층 및 지하층의 식물 생육공간(130)에 태양광을 각각 채광, 공급하는 제1 및 제2 채광부로 구성되며, 지상층의 층별, 층고 조절부를 이용하여 식물의 생육에 필수적인 태양 에너지를 원활하게 유입하기 위한 건물 층고 조절부(555)를 포함한다.

상기 소수력 발전부(450)는 최상층의 상기 상부 저장조(194)에 저장된 물을 낙하시켜 터빈을 가동하여, 전력을 생산하는 소수력 터빈(160); 낙하된 물을 별도로 저장하며, 최하층에 위치하는 지하 저장조(120)를 포함한다.

본 발명은 화석연료를 이용하며, 배기가스를 정제하여 이산화탄소 시비용 이산화탄소(CO₂)를 생산하여 상기 이산화탄소 저장조(192)에 저장한 후, 필요시 각 층에 공급하도록 하는 열병합 발전부(140)를 추가로 포함한다.

본 발명은 상기 열병합 발전부(140)의 잉여 폐열을 회수하여, 축열조(190)로 공급하기 위한 온수 열공급 배관(150) 및 잉여의 전력 중 위치에너지의 저장능력을 초과하는 전력을 열 에너지로 전환하기 위한 주울 히터(joule heater)(180), 상기 지하 저장조(120)로부터 발생하는 스팀을 상부로 이송시키기 위한 스팀 연결관(17 0)을 추가로 포함한다.

본 발명은 각 층별로 식물 생육을 위한 온도 유지를 위해 열 에너지 공급이 필요할 때, 상기 축열조(190)로부터 축열된 열 에너지를 이용할 수 있도록 하는 열공급 열교환기(300)를 추가로 포함한다.

부연 설명하자면 다음과 같다.

상기 상부 저장조(194) 및 상기 축열조(190) 등에 저장되는 물의 하중 문제로 인해 상부 저장조(194)와 에너지 저장부(350)로 구성되는 건물의 코어(115)와 식물 재배공간은 분리되는 구조가 바람직하다. 다시 말해, 전력 저장을 위해 사용되는 최상부의 상기 상부 저장조(194)와 상기 건물 내재형 에너지 저장부(350)의 상기 축열조(190)에는 다량의 물이 저장되는 공간이므로 층별 높이의 고저가 조절되도록 하는 식물 생육공간(130)과의 분리가 바람직하며, 이를 위해 도 1(a)에서 보는 바와 같이, 건물의 코어(115)와 식물 생육공간(130)으로 구성되는 건물의 외곽부는 일정 이격거리를 갖는 분리된 구조로 구성되는 것을 특징으로 한다.

위치에너지 저장을 위한 상기 상부 저장조(194)는 건물 최상부에 위치하며, 건물 내재형 에너지 저장부(350)는 상기 상부 저장조(194)의 아래에 구비되며, 상기 상부 저장조(194)와 구분되는 별도의 저장조이다.

상기 건물 내재형 에너지 저장부(350)는 그 내부에 에너지 및 이산화탄소를 저장하는 저장부로 구성되는 고정형 구조와, 그 외곽에 식물의 생육을 위한 공간으로 상기 건물 층고 조절부(555)가 구비되어 건물의 높이 변화가 가능한 변동형 구조의 이중구조로 구성되며, 상기 고정형 구조의 내부에는 이산화탄소 시비용 이산화탄소(CO₂)를 저장하는 이산화탄소(CO₂) 저장조(192)가 구성되고, 그 외부에는 물을 이용하는 축열조(190)가 구성된다.

또한, 지하층에도 제2 채광부에 의한 채광을 통한 추가적인 생육장소의 환경이 구비되며, 최상층의 상기 상부 저장조(194)에 저장된 물을 낙하시켜 터빈을 가동하여, 전력을 생산하는 소수력 터빈(160)이 최하층에 구성되며, 낙하된 물을 별도로 저장하는 지하 저장조(120)가 추가로 구성된다.

그리고, 화석연료를 이용하는 열병합 발전부(140)가 구성되며, 상기 열병합 발전부(140)는 배기가스를 정제하여 이산화탄소 시비용 이산화탄소(CO₂)를 생산하여 상기 이산화탄소 저장조(192)에 저장한 후, 필요시, 각 층에 공급하도록 한다.

본 발명의 다른 실시예로서, 본 발명은 분산형 열병합 발전설비 이외에 지역난방 시스템과도 연계 가능하다.

상기 열병합 발전부(140)에서 생산된 전력은 그리드(110)에 연계하여 판매되거나, 필요시, 지상의 취수원으로부터 최상층의 상부 저장조(194)로 물을 이송하는 펌프(148)의 동력원으로 공급되어 위치에너지를 이용한 전력 저장을 위해 사용된다.

상기 펌프(148)는 신재생 발전원(100)(태양광, 풍력 등)과 연계되기도 하며, 단속적인 신재생 발전원(100)을 감안하여 인버터 형식의 펌프가 적용되는 것이 바람직하다.

상기 열병합 발전부(140)에서 발생하는 잉여 폐열은 내부에 구비되는 축열조(190)와의 열교환을 통해 축열되며, 상기 축열조(190)는 건물 내부에 위치하므로 상기 축열조(190)에서 외기와의 온도차에 의한 방열 에너지도 대기중으로 버리지 않고 식물의 생육공간(130)의 난방에 재활용될 수 있는 것을 특징으로 한다.(기존의 축열조는 건물 외부에 위치하여 방열면에서의 열량은 전부 손실이 된다.)

본 발명에 따른 다층 건물구조는 개폐가 가능한 구조를 통해 경우에 따라 온실로 사용 가능하며, 태풍 등 외기 조건으로부터 식물을 보호할 수 있다.

이산화탄소 공급배관(144)은 상기 열병합 발전부(140)에서 발생하는 이산화탄소를 상기 이산화탄소 저장조(192)로 공급하는 통로 역할을 하는 배관이며, 이산화탄소 공급제어밸브(146)는 상기 이산화탄소 저장조(192)로 공급되는 이산화탄소의 공급량을 제어한다.

또한, 소수력 터빈 물공급관(182)은 상기 상부 저장조(194)로부터 상기 소수력 터빈(160)으로 물을 공급하는 통로 역할을 하는 배관이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 지하 저장조(buffer storage tank)(120)는 상부 저장조(194)의 물의 낙하를 위해 상기 상부 저장조(194)보다 큰 용량으로 설치하는 것이 바람직하며, 유효 저장공간 확보를 위한 수단이 필요하다. 또한, 하부 저장공간 확보를 위한 구체적 수단으로, 상기 지하 저장조(120)의 물은 지하층 식물의 급수로서 이용되어 식물의 급수 목적과 더불어, 위치에너지 발전을 위한 저장 공간 확보의 목적으로도 이용된다.

도 2는 본 발명에 따른 최상층을 제외한 지상의 각 층으로의 생육에 필요한 충분한 채광을 위한 제1 채광부의 구성을 도시한 도면이다.

최상층을 제외한 지상의 각 층으로 생육에 필요한 충분한 채광을 위한 채광 시스템이 도 2에 도시되어 있다.

도 2(a)에 도시된 바와 같이, 지상층에 위치한 생육공간(130)에 태양에너지를 공급하기 위한 상기 제1 채광부는 해당 면적 전체가 반사판(210)으로 구성되는 제1 상판(220)과 전체 면적 중 일부만 반사판(210)으로 구성되는 제1 하판(230)을 포함한다.

도 2(b)에 도시된 바와 같이, 각 층의 제1 하판(230)은 식물의 생육공간 (130) 사이에 위치하며, 본 실시예와 같이 방사형 구조로 구성되는 것이 바람직하나, 단지 방사형 구조로 한정되지는 않으며, 다양한 형태로 구성이 가능하다.

상기 제1 상판(220)은 작업자의 재실(在室)시 눈부심 등으로 인한 안전을 위해 각 층의 천정면을 기준으로 축 회전(pivot)이 가능하여 각도 조절이 가능하며, 반사로 인한 눈부심을 방지하기 위해 90도의 각도로 회전할 수 있도록 구성될 수도 있으며, 효과적인 각도 조절을 위해 다수의 모듈로 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 야간의 조명을 공급하기 위한 LED 조명장치(250)는 상기 제1 상판(22 0) 위에 설치되고, 효과적인 LED 조명의 공급을 위해, 상기 제1 상판(220)은 90도 위치에 위치하게 되며, 높이 조절이 가능한 상기 LED 조명장치(250)는 상기 제1 상판(220)에 의한 간섭을 방지하기 위해 상기 제1 상판(220)의 90도 위치에서의 최말단보다 하단에 위치하는 것을 특징으로 한다.

지하층에 태양광을 공급하기 위한 상기 제2 채광부로는 광덕트(310)가 사용되며, 효과적인 산광을 위해 지상층의 상기 제1 채광부와 동일한 반사판(210) 구조가 적용될 수도 있다.

도 2(a)에 도시된 바와 같이, 해당 층과 일정 각도로 유입되는 태양광은 제1 하판(230)과 제1 상판(220)을 거치면서 반사되어 실내 깊숙이까지 태양광이 전달될 수 있도록 하는 특징을 갖는다.

도 2(c)는 제1 상판(220)의 위쪽으로 설치되는 LED 조명장치(250)를 도시한 도면으로, 제1 상판(220)과 천정(257) 사이의 공간에 LED 조명장치(250)가 위치하며, 상기 제1 상판(220)은 필요에 따라 천정면과 0도에서 90도 사이의 위치로 조절이 가능하다.

또한, 도 2(d)에서와 같이, 상기 LED 조명장치(250)에는 높이 조절부(252)가 설치되어 LED 조명장치(250)의 야간 운영시에는 제1 상판(220)은 90도의 위치에 위치하게 되고, LED 조명장치(250)는 상기 높이 조절부(252)를 통해 90도 위치의 제1 상판(220)의 아래로 위치하여 원활한 LED 조명을 식물에 공급할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

도 3(a)는 지하층으로의 태양광 전달을 위한 제2 채광부(310)의 위치를 설명하기 위한 실시예를 도시한 상면도로, 즉, 건물 주변의 인근에 다수의 제2 채광부 (310)를 설치하여 지하층으로의 충분한 채광이 가능하도록 하는 것을 도시하고 있다.

도 3(a)상의 도면부호 312는 식물공장 건물 전체를 나타내며, 여기서는, 편의상 단면이 원형인 건물을 예로 들었으나, 실제 건물은 다양한 형태(예: 사각형)의 건물로 구성이 가능하다.

도 3(b)는 본 발명의 일부 구성요소인 열공급 열교환기를 설명하기 위한 도면이다.

도 3(b)에 관해 설명하자면, 열공급 열교환기(레디에이터)(300)는 각 층별로 온도 유지를 위한 열 에너지 공급이 필요할 때, 축열조(190)에 축열된 열 에너지를 이용할 수 있도록 각 층마다 구비되며, 각 층의 생물 생육조건에 적합한 온도로 독립적으로 온도 조절이 가능하도록 하는 제어시스템(미도시)이 구비되는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 식물공장용 에너지 공급 시스템은 태양광 혹은 풍력 등 신재생 발전원으로부터 단속적으로 생산되는 전력을 공급받아 가동되는 펌프(148)를 이용하여, 지상의 취수원으로부터 상부에 위치한 상부 저장조(194)로 물을 이송하여 하부에 위치하는 소수력 터빈(160)의 가동을 위한 위치에너지를 확보하게 된다.

또한, 화석에너지를 이용하는 열병합 발전설비의 가동을 통해 생산되는 전력은 그리드(110)에 판매되거나, 혹은 일부 전력(잉여전력)을 상기 펌프(148)의 구동에 공급하여 전력을 저장, 활용하도록 한다. 이때, 발생하는 폐열은 상기 건물 내재형 에너지 저장부(350)의 축열조(190)와의 열교환을 통해 저장된 후, 필요시 각 층에 구비된 상기 열공급 열교환기(레디에이터)(300)를 통해 각 층에 필요한 온도 제어가 실시되게 된다.

이때, 열병합 발전설비의 배기가스에 포함된 이산화탄소는 정제 시스템을 통해 순수한 이산화탄소로 전환된 후, 상기 건물 내재형 에너지 저장부(350)의 내측에 위치한 이산화탄소 저장조(192)에 저장되게 되며, 축열조(190)와 마찬가지로, 식물 생육에 필요한 각 층의 이산화탄소 농도 제어에 활용되게 된다.

또한, 최상층에 위치하는 상부 저장조(194)의 용량이 한정되어 있으므로, 신재생 에너지 발전원의 가동이 원활하고, 혹은 열병합 발전설비에서 생산되는 잉여 전력이 발생한다 하더라도 항상 위치에너지로 저장될 수 있는 것은 아니므로, 이러한 경우, 발생한 전력의 효과적인 활용을 위해 부득이하게 주울 히터(Joule heate -r)(180)를 가동하여 열 에너지로 저장, 활용하는 것을 특징으로 한다.

도 4는 본 발명에 따른 층별, 층고 조절을 위해 유압 리프트가 장착된 기둥(이하, 유압기둥이라 함)이 설치된 상태를 도시한 도면으로, 즉, 본 발명의 다층 식물공장용 에너지 공급 시스템이 적용되는 건물에 지상층의 층별, 층고 조절을 위해 유압 리프트(400)가 장착된 기둥(유압기둥)이 설치됨을 도시하고 있다.

도 4에 관해 설명하자면, 기본 층고 높이는 ho 이나, 필요에 의해 유압 리프트(400)를 통해 층고의 높이를 각각 조절할 수 있는 기능이 부가된다.

도 5는 본 발명에 따른 유압 리프트를 통해 각층의 높이를 일정구간 임의로 조정함으로써, 일사조건에 따라 층 내부로 유입되는 일조량을 조절 가능함을 도시한 도면이다.

건물의 층의 높이조절장치(420)가 도 5에 도시되어 있으며, 즉, 층 내부의 식물의 성장에 따른 층 높이의 임의 조절이 가능한 구조가 도시되어 있다.

예를 들어, 본 발명에 따르면, 최상층의 채광조건의 개선을 위해 층고의 높이를 기존 ho 에서 h1 으로 높일 수 있으며(다른 층도 필요에 의해 독립적으로 조절 가능), 각 층별로 성장속도가 다른 식물을 생육할 경우, 식물 성체의 높이에 따른 적절한 층간 높이의 확보가 필수적이므로, 식물의 개체에 따른 충분한 층고의 확보, 그리고 이에 따른 원활한 채광을 달성하기 위한 층별 독립형 층고 높이 조절 시스템을 구비하는 것을 특징으로 한다.

도 6은 본 발명에 따른 유압기둥이 건물에 설치되는 상태를 도시한 상면도이다.

도 6에 관해 설명하자면, 유압기둥(410)의 개수는 층별로 달리할 수 있으며, 하층일수록 상층의 부하를 추가적으로 감당해야 하므로 유압기둥(410)의 개수가 증가하는 것이 바람직하다.

도 6상의 도면부호 415번은 식물 생육공간과 분리되어 있는 에너지 저장부를 나타낸다.

도 7은 본 발명에 따른 온실 구조를 위한 외벽의 구조를 도시한 도면이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명은 상기 유압기둥(410)을 이용하여 지상층의 높이를 조절할 경우, 층간 높이 변경에 따른 이격 거리에 맞추어 온실 유리의 분리 및 교체가 손쉽게 가능하도록 하는 온실유리 교체 시스템(500)을 추가로 포함한다.

도 7에 관해 설명하자면, 각 층별로 층고의 높이가 변하는 구조이므로 본 발명에 따른 제2 상판(505)과 제2 하판(520)의 분리 가능한 구조가 바람직하다.

보충 설명하자면, 상기 제2 상판(505)은 각층의 상부 천정 유리 체결 프레임이며, 상기 제2 하판(520)은 각층의 바닥면의 유리 체결 프레임이다.

또한, 도 7상의 도면부호 510은 축회전 후(창문이 개방됨)의 온실유리를 나타내고, 도면부호 540은 축회전 전(창문이 폐쇄됨)의 온실유리를 나타낸다.

상기 제2 상판(505)과 상기 제2 하판(520)에 체결되는 온실유리는 다수의 투명 강화 플라스틱(혹은 강화유리 등)으로 구성되며, 상기 제2 상판(505)과 상기 제2 하판(520)에 각각 축 회전(Pivot)이 가능하도록 구성되어 필요시 손쉽게 환기 및 통풍이 가능하도록 하며, 상하부의 온실유리(510, 540)는 상호 암수의 구조로 체결이 가능하므로, 유압 리프트(400)의 작동으로 상기 제2 상판(505)과 상기 제2 하판(520)의 이격이 커질 경우, 쉽게 분리 가능하도록 구성된다.

또한, 상기 상하부의 온실유리(510, 540)는 여러 규격으로 준비되어 내부 식물의 생육에 따라 확보되어야 하는 해당 층의 기본 이격거리가 증가할 경우, 다른 유리로 교체가 용이하도록 하고, 상기 온실유리(540)와 체결부(530)는 나사구조로 체결되어 손쉽게 교체가 용이하도록 하는 것을 특징으로 한다.

도 7의 제2 상판(505)과 제2 하판(520)은, 채광의 목적으로 단시간의 층고 조절의 경우, 온실유리(540)를 바꾸지 않고, 채광시에, 임시로 두개의 온실유리들(540)을 상호 분리하였다가 다시 체결하는 방식이다.

또한, 내부 식물의 생육 증대로 인해 기본 층고의 높이가 증대될 필요가 있는 경우, 유리 모듈을 좀 더 큰 사이즈로 교체하면 된다.

100 : 신재생 발전원 110 : 그리드
120 : 지하 저장조 130 : 생육공간
140 : 열병합 발전부 150 : 온수 열공급 배관
160 : 소수력 터빈 170 : 스팀 연결관
180 : 주울 히터(joule heater) 190 : 축열조
192 : 이산화탄소 저장조 194 : 상부 저장조
220 : 제1 상판 230 : 제1 하판
250 : LED 조명장치

Claims (18)

1. 건물의 위치에너지를 이용하여, 전력을 저장하는 상부 저장조;
   야간 LED 조명의 전력공급을 위해 주간 잉여전력 및 신재생 발전전력을 건물 위치에너지를 이용하여 저장한 후, 야간에 일정기간 동안 전력을 생산하여 LED 조명전력으로 이용하도록 하는 소수력 발전부;
   식물 생육을 위한 열 공급 및 이산화탄소 시비용의 축열조 및 이산화탄소 저장조로 구성된 건물 내재형 에너지 저장부;
   지상층 및 지하층의 식물 생육공간에 태양광을 각각 채광, 공급하는 제1 및 제2 채광부로 구성되며, 지상층의 층별, 층고 조절부를 이용하여 식물의 생육에 필수적인 태양 에너지를 원활하게 유입하기 위한 건물 층고 조절부;
   를 포함하는 다층 식물공장용 에너지 공급 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 소수력 발전부는
   최상층의 상기 상부 저장조에 저장된 물을 낙하시켜 터빈을 가동하여, 전력을 생산하는 소수력 터빈;
   낙하된 물을 별도로 저장하며, 최하층에 위치하는 지하 저장조;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 식물공장용 에너지 공급 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 건물 내재형 에너지 저장부는 그 내부에 에너지 및 이산화탄소를 저장하는 저장부로 구성되는 고정형 구조와, 그 외곽에 식물의 생육을 위한 공간으로 상기 건물 층고 조절부가 구비되어 건물의 높이 변화가 가능한 변동형 구조의 이중구조로 구성되며, 상기 고정형 구조의 내부에는 이산화탄소 시비용 이산화탄소 (CO₂)를 저장하는 이산화탄소 저장조가 구성되고, 그 외부에는 물을 이용하는 축열조가 구성되는 다층 식물공장용 에너지 공급 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   화석연료를 이용하며, 배기가스를 정제하여 이산화탄소 시비용 이산화탄소 (CO₂)를 생산하여 상기 이산화탄소 저장조에 저장한 후, 필요시 각 층에 공급하도록 하는 열병합 발전부를 추가로 포함하는 다층 식물공장용 에너지 공급 시스템.
5. 제4항에 있어서,
   상기 열병합 발전부에서 생산된 전력은 그리드에 연계하여 판매되거나, 필요시, 지상의 취수원으로부터 최상층의 상기 상부 저장조로 물을 이송하는 펌프의 동력원으로 공급되어 위치에너지를 이용한 전력 저장을 위해 사용되는 다층 식물공장용 에너지 공급 시스템.
6. 제5항에 있어서,
   상기 펌프는 신재생 발전원(태양광, 풍력 등)과 연계되기도 하며, 단속적인 신재생 발전원을 감안하여 인버터 형식의 펌프가 적용되는 것이 바람직한 다층 식물공장용 에너지 공급 시스템.
7. 제4항에 있어서,
   상기 열병합 발전부에서 발생하는 잉여 폐열은 내부에 구비되는 상기 축열조와의 열교환을 통해 축열되며, 상기 축열조는 건물 내부에 위치하므로 상기 축열조에서 외기와의 온도차에 의한 방열 에너지도 대기중으로 버리지 않고 식물의 생육공간의 난방에 재활용될 수 있는 것을 특징으로 하는 다층 식물공장용 에너지 공급 시스템.
8. 제1항에 있어서,
   지상층에 위치한 생육공간에 태양에너지를 공급하기 위한 상기 제1 채광부는 해당 면적 전체가 반사판으로 구성되는 제1 상판과 전체 면적 중 일부만 반사판으로 구성되는 제1 하판을 포함하는 다층 식물공장용 에너지 공급 시스템.
9. 제8항에 있어서,
   상기 상판은 작업자의 재실(在室)시 눈부심 등으로 인한 안전을 위해 각 층의 천정면을 기준으로 축 회전(pivot)이 가능하여 각도 조절이 가능하며, 반사로 인한 눈부심을 방지하기 위해 90도의 각도로 회전할 수 있도록 구성될 수도 있으며, 효과적인 각도 조절을 위해 다수의 모듈로 구성되는 것이 바람직한 다층 식물공장용 에너지 공급 시스템.
10. 제8항에 있어서,
    야간의 조명을 공급하기 위한 LED 조명장치는 상기 제1 상판 위에 설치되고, 효과적인 LED 조명의 공급을 위해, 상기 제1 상판은 90도 위치에 위치하게 되며, 높이 조절이 가능한 상기 LED 조명장치는 상기 제1 상판에 의한 간섭을 방지하기 위해 상기 제1 상판의 90도 위치에서의 최말단보다 하단에 위치하는 것을 특징으로 하는 다층 식물공장용 에너지 공급 시스템.
11. 제1항에 있어서,
    지하층에 태양광을 공급하기 위한 상기 제2 채광부로는 광덕트가 사용되며, 효과적인 산광을 위해 지상층의 상기 제1 채광부와 동일한 반사판 구조가 적용될 수도 있는 다층 식물공장용 에너지 공급 시스템.
12. 제4항에 있어서,
    상기 열병합 발전부의 잉여 폐열을 회수하여, 상기 축열조로 공급하기 위한 온수 열공급 배관 및 잉여의 전력 중 위치에너지의 저장능력을 초과하는 전력을 열 에너지로 전환하기 위한 주울 히터(joule heater)를 추가로 포함하는 다층 식물공장용 에너지 공급 시스템.
13. 제1항에 있어서,
    각 층별로 온도 유지를 위한 열 에너지 공급이 필요할 때, 축열된 열 에너지를 이용할 수 있도록 하는 열공급 열교환기를 추가로 포함하는 다층 식물공장용 에너지 공급 시스템.
14. 제1항 내지 제13항중 임의의 한항에 있어서,
    상기 다층 식물공장용 에너지 공급 시스템이 적용되는 건물에는 지상층의 층별, 층고 조절을 위해 유압 리프트가 장착된 기둥(유압기둥)이 설치되는 것을 특징으로 하는 다층 식물공장용 에너지 공급 시스템.
15. 제14항에 있어서,
    상기 유압 리프트를 통해 각층의 높이를 일정구간 임의로 조정함으로써, 일사조건에 따라 층 내부로 유입되는 일조량을 조절 가능한 것을 특징으로 하는 다층 식물공장용 에너지 공급 시스템.
16. 제14항에 있어서,
    상기 유압기둥의 개수는 층별로 달리할 수 있으며, 하층일수록 상층의 부하를 추가적으로 감당해야 하므로 상기 유압기둥의 개수가 증가하는 것이 바람직한 것을 특징으로 하는 다층 식물공장용 에너지 공급 시스템.
17. 제14항에 있어서,
    상기 유압기둥을 이용하여 지상층의 높이를 조절할 경우, 층간 높이 변경에 따른 이격 거리에 맞추어 온실 유리의 분리 및 교체가 손쉽게 가능하도록 하는 온실유리 교체 시스템을 추가로 포함하는 다층 식물공장용 에너지 공급 시스템.
18. 제2항에 있어서,
    상기 지하 저장조로부터 발생하는 스팀을 상부로 이송시키기 위한 스팀 연결관을 추가로 포함하는 다층 식물공장용 에너지 공급 시스템.
    
    
    
    
    
    
    
    

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