KR20170115515A - 실내 녹색 재배 - Google Patents

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KR20170115515A
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한스 필레브로
토비아스 스트랜드
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스칸스카 스베리지 에이비
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Abstract

본 발명은 재배 구조물 및 재배를 위한 영역을 포함하는 재배 구조물을 작동시키는 방법에 관한 것으로, 상기 재배 구조물은 지하 열 에너지 저장 장치에 연결된다. 상기 장치는 상기 구조물의 실내 기후를 조절하기 위한 가열-냉각 시스템을 포함하고, 상기 가열-냉각 시스템은 상기 구조물 내의 공기에서의 열은 상기 지하 열 에너지 저장 장치로 전달함으로써 상기 구조물 내의 공기를 냉각하도록 배치되고, 상기 가열-냉각 시스템은 상기 지하 열 에너지 저장 장치에서의 열을 상기 구조물로 전달함으로써 상기 구조물 내의 공기를 가열하도록 배치된다.

Description

실내 녹색 재배{GREEN INDOOR CULTIVATION}
본 발명은 열 에너지 저장 장치와 연결되는 재배 구조물 및 재배 구조물을 작동시키기 위한 방법에 관한 것으로, 특히 환경 친화적이고 에너지 효율적인 방법으로 재배하기 위한 영역(area)을 포함하는 재배 구조물 및 이를 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다.
환경적으로 통제된 지역에서 식물 재배의 아이디어는 로마 시대 이후로 존재 해왔다. 최근에, 온실은 유리 또는 플라스틱 지붕과 벽을 가지고 사용된다. 온실은 들어오는 태양 빛에 의해 가열된다. 빛에서의 에너지는 부분적으로 열로 변환되고 부분적으로는 온실에서의 식물의 광합성에 이용된다. 빛의 작은 부분은 온실의 유리를 통해 주변으로 반사된다.
지붕과 벽은 기후 쉘(shell)과 실내 기후를 조성한다. 실내 기후의 에너지 균형은 태양 빛, 조명, 사람, 식물 및 기후 쉘 (예를 들어, 창문)을 통해 전달되는 열과 환기 손실 사이에서 생성된다.
따뜻한 계절에는 종종 온실에서의 공기가 식물에게 너무 따뜻해진다. 광합성 과정은 빛의 에너지를 이용하여 이산화탄소와 물을 탄수화물 (설탕, 섬유 등)과 산소 (6CO2 + 6H2O => C6H12O6 + 6O2)로 전환시킨다. 빛의 양이 불충분하면 과정은 반대로 되고 (호흡), CO2와 에너지 (열)가 생성된다. 식물의 또 다른 과정은 물과 영양분을 식물의 잎으로 옮기는 것을 포함하는 증산작용(trnaspiration)이다. 광합성 과정은 빛, 이산화탄소, 공기 습도 및 온도에 대한 최적 조건에 좌우된다.너무 높은 온도와 낮은 공기 습도에서 나뭇잎의 기공을 닫음으로써 공정이 감속되어 광합성이 현저하게 감소하게 된다. 광합성이 적절하게 기능하고 과일 및 식물의 품질을 향상시키기 위해서는 온도가 바람직하게는 25 ℃를 초과해서는 안된다. 따라서 과도한 열은 보통 온실의 창문과 문을 열어 환기된다. 그러나 온실을 열면 해충이 온실에 들어와 유기적인 방법을 사용하기가 어렵게 된다. 온실의 환기는 추가 된 CO2 가스를 환기시켜 온실 가스 배출을 초래한다. 환기 중에도 물이 손실되어 온실의 물 사용량이 증가한다.
또한 실외 온도보다 낮은 온도가 이루어지려면 활성 냉각(active cooling)이 필요하다. 기후 쉘이 제대로 단열되지 않으면 활성 냉각량이 증가한다. 게다가 온실을 사용하게 되면 성장하는 계절은 연장되지만 제한된 햇빛의 양과 추운 기후 때문에 북쪽에서는 여전히 상대적으로 짧다.
이러한 계절을 연장시키기 위해, 인공 조명과 난방을 온실에 적용하고 물과 영양이 추가된다. 추가적인 빛은 전기 소비와 내부 열을 증가시키고, 이는 난방 계절 외의 냉방이 필요하다. 성장을 향상시키는 또 다른 방법은 이산화탄소 (CO2)를 공기에 첨가하여 수확량과 생산량을 향상시키는 것이다.
유리 지붕과 벽을 가진 온실은 종래 건물에 비해 내열성이 낮기 때문에 난방기에는 종래 건물보다 더 많은 난방이 필요하다. 추가적인 빛의 일부는 온실 가스 유리로부터 전달된다.
강렬한 햇빛에서, 태양으로부터의 조사는 식물을 위한 최적 수준을 초과한다. 이러한 이유로 태양 빛이 식물에 유입되는 양을 감소시키는 선스크린(sunscreen)이 사용된다.
추운 계절에는 주로 열이 추가되어 사회 곳곳에서 필요할 때 에너지 소비와 열을 증가시켜 최대 부하(peak load)를 증가시킨다. 온실을 가열할 때 물이 내부 유리 표면에 응축되어 들어오는 조사량을 줄인다. 곰팡이와 조류는 습기가 많고 습도가 높은 지역에서 자랄 수 있다. 일정한 높은 습도는 일반적으로 환기 또는 증가된 온도로 피할 수 있다.
상기 관점에서, 본 발명의 목적은 전술한 단점들 중 하나 또는 몇 가지를 해결하거나 적어도 감소시키는 것이다. 일반적으로, 상기 목적은 첨부된 독립 특허 청구항에 의해 달성된다.
제1 양태에 따르면, 본 발명은 지하 열에너지 저장 장치에 연결된 재배 영역을 포함하는 재배 구조물에 의해 실현된다. 상기 구조물은 상기 구조물의 실내 기후를 조절하기 위한 가열-냉각 시스템을 포함하고, 여기서 상기 가열-냉각 시스템은 상기 구조물 내 공기에서의 열을 지하 열 에너지 저장 장치로 운반함으로써 구조물 내의 공기를 냉각시키도록 배치되며, 상기 가열-냉각 시스템은 지하 열 에너지 저장 장치에서의 열을 상기 구조물로 운반함으로써 상기 구조물에서의 공기를 가열하도록 배치된다.
재배 구조물은 환경 친화적인 해결책을 제공한다. 과잉 열은 지하 열에너지 저장 장치에 저장될 수 있기 때문에 가열이 필요할 때 열을 사용할 수 있다. 또한, 구조물 내의 공기가 구조물을 개방하지 않고 냉각될 수 있어, 이산화탄소가 배출되지 않고, 해충이 들어가지 않게 되며, 구조물에서의 공기가 외부 온도보다 낮은 온도로 냉각될 수 있다는 이점이 있다.
또한, 구조물이 가열이 필요한 경우, 가열-냉각 시스템은 환경적으로 바람직한 열 에너지 저장 장치에 저장된 열을 사용한다. 이러한 열은 구조물에서 생성될 수 있다. 석유, 가스 또는 기타 화석 에너지 연료로 가열하는 것이 필요하지 않기 때문에 이는 또한 환경에 유리하다.
또한, 재배 구조물은 식량 생산 (식용 식물 재배) 동안 열 회수를 가능하게 한다. 재배 구조물에서 먹을 수 있는 식물을 재배함으로써 식량 생산이 열원으로 사용될 수 있다. 먹을 수 없는 식물도 재배 구조에서 재배될 수 있다.
상기 재배 구조물은 수직 온도 구배(gradient)를 갖는 지하 열에너지 저장 장치를 더 포함할 수 있으며, 상기 가열-냉각 시스템은 상기 지하 열에너지 저장 장치의 제1 수직 레벨로부터 유체를 회수할 수 있고, 가열 및/또는 냉기가 상기 구조물 내의 유체 및 공기 사이에서 교환되도록 상기 구조물 내의 유체를 순환시키며, 지하 열 에너지 저장 장치에서의 제2 수직 레벨로 유체를 복귀시키도록 배치되는 순환 시스템을 포함한다.
그리드(grid)에서 특정 조건 및 주어진 시간 주기에서의 에너지 저장에 따라, 유체를 회수하고 방출되는 온도 레벨을 선택함으로써 에너지 저장을 최적화할 수 있다.
상기 재배 구조물은 상기 재배 영역을 조명하도록 배치된 복수의 광원과, 상기 구조물에 연결되어 배치되고 상기 복수의 광원에 전력을 공급하는 복수의 태양 전지를 더 포함할 수 있다.
광원은 예를 들어, LED (발광 다이오드), 나트륨-증기 램프, 형광 램프 또는 재배 영역의 조명에 적합한 임의의 다른 램프일 수 있다. LED는 전기 절약형이며 예를 들어 나트륨-증기 램프만큼 많은 열을 방출하지 않으므로, 냉각 필요성이 감소된다. 나트륨-증기 램프를 사용하는 경우 냉각 필요성이 증가한다. 또한 태양 전지는 태양 에너지를 사용하여 적어도 부분적으로 재배 구조물을 가동할 수 있다.
LED는 재배 영역을 조명하는 빛을 재배되는 것에 적용될 수 있도록 서로 다른 파장의 빛을 방출하도록 배치될 수 있다.
가열-냉각 시스템은 실내 기후를 조절하고 재배 구조물 내의 습도, 온도, 빛 및 이산화탄소 중 적어도 하나를 조절하도록 배치된 제어 시스템(control system)을 포함할 수 있다. 이는 실내 기후가 재배 구조물에서 재배된 식물의 성장 조건에 영향을 미치기 때문에 유리하다. 재배 구조물에서 재배된 식물의 성장 주기는 다른 방식으로 조작될 수 있다.
제어 시스템은 온도, 습도, 빛 및 이산화탄소 중 적어도 하나를 측정하도록 배치된 복수의 측정 장치를 포함할 수 있다. 이는 온도, 습도, 빛 및 이산화탄소에 관한 정보가 제어 시스템에 제공될 수 있다는 점에서 유리하다.
열 에너지 저장 장치 및/또는 재배 구조물은 적어도 하나의 주거용 주택에 연결될 수 있다. 제어 시스템은 아침에 재배 구조물 내의 공기를 냉각시키도록 설정될 수 있다. 이는 많은 사람들이 아침에 샤워하기 때문에 유리하다. 부가적으로 또는 대안적으로, 제어 시스템은 저녁에 재배 구조물 내의 공기를 가열하도록 설정될 수 있다. 이는 많은 사람들이 저녁에 요리하기 때문에 유리하다.
가열-냉각 시스템은 밤 시간, 하루, 재배되는 것에 대한 성장 주기의 시점 및 구조물에서의 공기 온도 중 적어도 하나에 기초하여 실내 기후를 조절하도록 배치된 제어 시스템을 포함할 수 있다. 재배되는 것이 적어도 하나의 식물, 특히 적어도 하나의 식용 식물일 수 있다. 재배 구조물은 재배되는 것의 성장 주기 동안 가열 및/또는 냉각을 적용할 수 있게 한다. 또한, 재배되는 식물은 예를 들어, 연례 또는 다년생일 수 있으며, 실내 기후의 조절이 이에 적용될 수 있다. 일 실시 예에서, 실내 기후를 조절하는 단계는 구조물 내의 공기 온도를 적용하는 단계를 포함한다.
재배 구조물은 수직 온도 구배를 갖는 지하 열 에너지 저장 장치 및 내부 결합된 가열 및 냉각 장치를 더 포함할 수 있고, 상기 내부 결합된 가열 및 냉각 장치는 상기 에너지 저장 장치로부터 제1 온도를 갖는 유체를 회수 및 높은 제2 온도를 갖는 가열된 유체와 낮은 제3 온도를 갖는 냉각된 유체를 복귀시키도록 적용되며, 복수의 태양 전지는 내부 결합된 가열 및 냉각 장치에 전력을 공급하기 위해 배치된다. 따라서 그리드에서의 특정 조건과 주어진 기간의 에너지 저장에 따라 유체를 회수하고 방출되는 유체의 온도 레벨을 선택하여 에너지 저장을 최적화할 수 있다. 다른 이점으로는 그리드에서의 잉여 전기 에너지를 활용하고, 전기 생산과 전기 에너지의 소비를 쉽게 균형 잡을 수 있는 가능성이 있다.
태양 전지는 태양광에 적어도 부분적으로 반투명할 수 있다. 이는 태양 전지가 투명한 구조물의 일부에 배치될 수 있다는 점에서 유리하다.
태양 전지는 구조물의 상부 및/또는 구조물의 측면 상에 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 태양 전지는 구조물의 창 및/또는 벽에 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 구조물의 창은 태양 전지를 포함한다.
상기 구조물은 적어도 부분적으로 불투명할 수 있다. 이는 재배 구조물의 투명한 부분을 통한 투과를 통해 더 적은 빛이 손실된다는 점에서 유리하다. 건물의 열 전달 저항이 증가하면 열 에너지 저장 장치로 회수되고 운반되는 열의 양이 증가된다. 상기 열 에너지 저장 장치에서의 열은 예를 들어 지역 난방 시스템으로부터 재배 구조물로 열이 유입될 필요가 없거나 덜 필요로 하는 이점을 갖는 것에 대한 필요성이 요구되는 경우 상기 재배 구조물을 가열하기 위해 나중에 사용될 수 있다. 또한, 재배 구조물에서 생성되고 열 에너지 저장 장치에 저장되는 열은 다른 곳으로 운반될 수 있다. 이러한 열은 화석 연료와 같은 다른 열원을 대체하여 건물, 가정용 온수 및 기타 목적의 난방을 위해 사용될 수 있다. 단열된 재배 구조물로 외부 열을 추가할 필요가 없으며, 연간 열 에너지 저장 장치로부터 열이 배출될 수 있다. 따라서, 일 실시예에서 재배 구조물은 불투명할 수 있다.
일 실시예에서, 재배 구조물의 약 10%는 반투명하다. 이는 조건이 균형을 이룬다는 점에서 유리하다. 충분한 빛은 전달을 통해 비교적 적은 열이 손실되는 것과 동시에 재배 구조물로 보내진다.
상기 구조물의 지붕은 투명 및 돔-형상 중 적어도 하나일 수 있다. 투명한 지붕을 갖는 것은 지붕을 통한 빛의 유입을 가능하게 한다. 투명 지붕을 갖는 실시예에서, 태양 전지는 적어도 부분적으로 투명할 수 있다.
구조물은 건물, 건물의 일부, 온실, 터널, 터널의 일부, 덮힌 구덩이 및 외계 덮힌 분화구 중 적어도 하나일 수 있다. 따라서 재배 구조물은 매우 유연하다.
구조물은 적어도 하나의 거울을 포함할 수 있다. 이는 빛이 예를 들어 구조물 내의 식물을 향하여 반사 및 향할 수 있다는 점에서 유리하다.
구조물 내부의 적어도 일부는 반사 코팅을 가질 수 있다. 이는 빛이 예를 들어 구조물 내의 식물을 향하여 반사 및 향할 수 있다는 점에서 유리하다.
구조물 내부의 적어도 일부는 형광 코팅을 가질 수 있다. 이는 덜 적합한 광 주파수가 보다 바람직한 주파수로 변환될 수 있다는 점에서 유리하다. 예로서, 황색광은 적색광으로 변환될 수 있다.
구조물은 복수의 기후 구역을 포함할 수 있으며, 상기 기후 구역은 서로 다른 온도를 갖는다. 따라서 기후의 관점에서 다른 요구 조건을 가진 다른 유기물이 동일한 구조물에 존재할 수 있다.
기후 구역은 수직 및/또는 수평으로 배치될 수 있다. 이러한 방법으로 구조물의 공간을 효율적으로 사용될 수 있다.
가열-냉각 시스템은 적어도 하나의 가열기-냉각기 장치를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 가열기-냉각기 장치는 구조물의 공기 중의 증기를 물로 변환시킴으로써 구조물의 공기로부터 물을 회수하도록 배치될 수 있다. 이는 물이 추출되고 다른 목적으로 사용될 수 있다는 점에서 유리하다. 또한 습기를 밖으로 배출하기 위해 구조물이 개방되지 않기 때문에 해충이 들어오지 못하고 CO2 가스가 배출되지 않는다.
가열-냉각 시스템은 구조물과 연결되어 배치된 냉각기 유닛을 포함할 수 있으며, 상기 냉각기 유닛은 구조물 외부의 공기로부터 열을 회수하도록 배치될 수 있고, 가열-냉각 시스템은 회수된 열을 지하 열 에너지 저장 장치로 전달되도록 배치된다. 이는 시스템 활용 및 효율성, 파이프의 양, 투자 비용, 성능 계수에 관해 유리하다. 또한, 구조물을 냉각시키기 위한 지하 열 에너지 저장 장치로부터 회수된 액체와 냉각 유닛에서 순환된 후의 액체간 온도 차이가 증가된다. 또한, 응축된 물이 구조물 외부에 형성되면 더 많은 물이 회수될 수 있다.
냉각기 유닛은 구조물을 둘러싸고 있는 공기 내의 증기를 물로 변환시킴으로써 구조물 외부의 공기로부터 물을 회수하도록 배치될 수 있다. 이는 다른 목적으로 사용될 수 있는 더 많은 물이 추출된다는 점에서 유리하다.
재배 구조물은 관개 시스템(irrigation system)을 더 포함할 수 있다. 관개 시스템은 재배 영역을 관개하도록 배치될 수 있다. 관개 시스템은 가열-냉각 시스템에 연결될 수 있으며, 가열-냉각 시스템으로부터 회수된 물을 재배 영역으로 전달하도록 배치될 수 있다. 환경에 유리한 것은 재배 구조물이 물을 운반하는 대신 관개 시스템에 의해 사용되는 물을 회수할 수 있다는 것이다.
재배 구조물은 빗물로부터 물을 회수하도록 배치된 빗물 수집기(rain collector)를 더 포함할 수 있으며, 상기 빗물 수집기는 관개 시스템 및/또는 가열-냉각 시스템에 연결된다. 환경에 유리한 것은 재배 구조물이 물을 운반하는 대신 물을 회수할 수 있다는 것이다.
관개 시스템은 외부 용수 시스템과 연결되고, 물을 운반하는 대신 회수된 물을 외부 용수 시스템에 공급하도록 구비될 수 있다. 환경에 유리한 것은 재배 구조물이 물을 회수할 수 있다는 것이다.
재배 영역은 복수의 서브 영역을 포함할 수 있으며, 상기 서브-영역은 상기 구조물에서 복수의 레벨에 구비되고, 복수의 광원은 상기 복수의 서브-영역을 조명하도록 구비되며, 상기 관개 시스템은 상기 복수의 서브-영역을 관개하도록 구비되는 것 중 적어도 하나를 포함한다. 이러한 방법에서, 구조물에서의 공간은 효율적으로 사용될 수 있다.
재배 구조물은 재배 영역에 연결된 수경 재배(aquaculture)를 더 포함할 수 있다. 이는 재배 영역에 영양분을 제공할 수 있는 이점이 있다.
재배 영역은 하이드로컬쳐(hydroculture) 시스템을 포함할 수 있다. 이는 재배가 보다 효율적으로 수행될 수 있다는 점에서 유리하다.
제2 양태에 따르면, 본 발명은 재배 영역을 포함하는 재배 구조물을 작동시키는 방법에 의해 실현된다. 상기 방법은 구조물 내의 공기로부터 지하 열 에너지 저장 장치로 열을 운반함으로써 구조물 내의 공기를 냉각시키는 가열-냉각 시스템을 포함하고, 상기 가열-냉각 시스템은 지하 열 에너지 저장 장치에서의 열을 상기 구조물로 운반함으로써 구조물 내의 공기를 가열한다.
상기 방법은 상기 지하 열 에너지 저장 장치에서의 제1 수직 레벨로부터 유체를 회수하는 단계, 상기 구조물 내의 유체와 공기 사이에서 열 및/또는 냉기가 교환되도록 상기 구조체 내의 유체를 순환시키는 단계, 상기 유체를 상기 지하 열 에너지 저장 장치에서의 제2 수직 레벨로 복귀시키는 단계를 포함하는 순환 시스템을 더 포함할 수 있다.
상기 방법은 복수의 태양 전지에서의 열을 상기 지하 열 에너지 저장 장치로 전달함으로써 상기 태양 전지를 냉각시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 방법은 적어도 하나의 가열기-냉각기 유닛을 포함하는 가열-냉각 시스템을 더 포함할 수 있으며, 상기 적어도 하나의 가열기-냉각기 유닛은 구조물의 공기에서의 증기를 물로 변환시킴으로써 구조물의 공기로부터 물을 회수한다.
상기 방법은 냉각기 유닛을 포함하는 가열-냉각 시스템을 더 포함할 수 있고, 상기 냉각기 유닛은 구조물 외부의 공기로부터 열을 회수하며, 상기 가열-냉각 시스템은 상기 지하 열 에너지 저장 장치로 회수된 열을 운반한다.
상기 방법은 구조물 외부의 공기 내의 증기를 물로 변환시킴으로써 구조물 외부의 공기로부터 물을 회수하는 냉각기 유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 방법은 관개 시스템을 사용하여 가열-냉각 시스템으로부터 회수된 물을 재배 영역으로 전달하는 단계를 더 포함할 수 있다.
제1 양태의 장점은 제2 양태에도 동일하게 적용된다. 또한, 제2 양태는 제1 양태에 따라 구체화될 수 있고, 제1 양태는 제2 양태에 따라 구체화될 수 있다. 재배 구조물은 일부 경우에 장치로 나타낼 수 있다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점은 하기의 상세한 설명, 첨부된 청구 범위 및 도면으로부터 나타날 것이다.
일반적으로, 청구 범위에서 사용된 모든 용어는 달리 명시적으로 정의되지 않는 한, 기술분야에서 통상적인 의미에 따라 해석되어야한다. "요소, 장치, 구성 요소, 수단, 단계 등"에 대한 모든 언급은 상기 요소, 장치, 구성 요소, 수단, 단계 등의 적어도 하나의 일례로 언급되는 것으로 달리 명시하지 않는 한 공개적으로 해석되어야 한다. 본 발명에 개시된 임의의 방법의 단계들은 명시적으로 언급되지 않는 한, 개시된 순서대로 수행될 필요는 없다. 또한, 단어 "포함(comprising)"은 다른 요소나 단계를 배제하지 않는다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예의 하기 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 시스템의 일 실시예를 나타낸 단면 사시도이다.
도 2a는 본 발명의 시스템의 일 실시예를 나타낸 단면 사시도이다.
도 2b는 도 2a의 본 발명의 시스템의 일 실시예의 일부를 나타낸 사시도이다.
도 3a는 본 발명의 시스템의 일 실시예를 나타낸 단면 사시도이다.
도 3b는 본 발명의 시스템의 일 실시예를 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 시스템의 일 실시예를 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 시스템의 일 실시예를 나타낸 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예를 나타낸 사시도이다.
도 7은 도 1의 본 발명의 재배 구조물의 일 실시예를 나타낸 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 많은 상이한 형태로 구체화될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안되며; 오히려, 이들 실시예는 이러한 개시가 철저하고 완전하며 당업자에게 본 발명의 범위를 충분히 전달할 수 있도록 예로서 제공된다. 동일한 번호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명의 재배 구조물 및 방법은 식품, 열, 냉기, 빛 및/또는 물을 제공할 수 있다. 또한, 상기 시스템은 유연하며, 예를 들어, 불모의 장소와 다른 기후에 구비될 수 있다. 또한 온도, 습기 및 조명을 채택함으로써 실내 기후가 적용될 수 있기 때문에 모든 유형의 식물을 구조물에서 재배할 수 있다. 북쪽에서 자연적으로 자라는 식물은 본 발명의 시스템 및/또는 방법을 사용함으로써 예를 들어, 사하라에서 자랄 수 있다.
광합성에 바람직한 온도는 약 20 ℃이다. 재배 구조물에서의 온도는 성장된 식물의 유형 및 어떤 종류의 결과가 요구되는가에 따라 적용될 수 있다.
LED(발광 다이오드)는 에너지 효율이 높고 수명이 길다. 또한, 이들은 식물의 조명이 식물의 유형 및/또는 다양한 성장 단계에 적응될 수 있도록 광 스펙트럼을 조정할 수 있는 가능성을 제공한다. 재배 구조물은 지형과 날씨에 관계없이 제조될 수 있다. 재배 구조물에는 전기 또는 가스 가열 시스템이 필요하지 않는다. 대신에, 조명으로 인한 내부 열 부하(load)는 재배 구조물에 필요한 가열 전력과 균형을 이룰 수 있다.
본 발명의 재배 구조물은 재배 영역을 포함하고, 지하 열 에너지 저장 장치에 연결된다. 재배 구조물은 지하 열 에너지 저장 장치에 연결된 가열-냉각 시스템을 더 포함한다. 가열-냉각 시스템은 구조물 내의 공기에서의 열을 지하 열 에너지 저장 장치로 전달함으로써 구조물 내의 공기를 냉각시키도록 배치된다. 가열-냉각 시스템은 지하 열 에너지 저장 장치에서의 열을 상기 구조물로 전달함으로써 구조물 내의 공기를 가열하도록 배치된다.
도 1은 본 발명의 재배 구조물의 일 실시예를 나타낸다. 상기 구조물 (200)은 절연될 수 있는 지붕 (210), 벽 (220) 및 적어도 하나의 창 (230)을 갖는 불투명한 건물이다. 일 실시예에서, 상기 구조물 (200)은 어떤 창도 포함하지 않는다.
지붕 (210) 및 적어도 하나의 창 (230)은 투명하거나 또는 적어도 부분적으로 투명할 수 있는 복수의 태양 전지 (212, 232)를 포함한다. 따라서, 태양광은 태양 전지 (212, 232)를 통해 상기 구조물 내로 유입될 수 있다. 일 실시예에서, 전체 지붕 (210)은 태양 전지들로 덮힌다.
구조물 (100)는 애틱 (240) 및 일층 (250)을 포함한다. 일층 (250)에는 재배 영역 (260)이 있다. 복수의 LED (270)가 재배 영역 (260)을 비추도록 배치된다. 복수의 LED (270)는 예를 들어, 재배 영역 (260) 위로 배치될 수 있다.
태양 전지 (212, 232)는 복수의 LED (270)에 전력을 공급하도록 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 태양 전지는 적어도 부분적으로 복수의 LED에 전력을 공급하도록 배치된다. 태양 전지는 태양광의 에너지를 전기로 변환하도록 배치된다. 일 실시예에서, 태양 전지는 변압기를 통해 LED에 직접 연결된다. 태양 전지를 그리드에 연결하는 대신 LED를 그리드에 연결하는 것이 유리할 수 있다. 이런 방식으로 과잉 전기는 다른 곳에서 사용될 수 있다. 나트륨-증기 램프와 같은 다른 광원이 사용될 수 있다.
재배 구조물 (100)은 가열기-냉각기 유닛 (280), 냉각기 유닛 (290), 외부 냉각기 유닛 (295) 및 상기 유닛 (280, 290, 295)에 연결된 지하 열 에너지 저장 장치 (300)를 더 포함한다. 상기 유닛 (280, 290, 295)은 가열-냉각 시스템에 포함된다. 상기 가열-냉각 시스템은 또한 유닛 (280, 290, 295) 및/또는 지하 열 에너지 저장 장치 (300)를 연결하는 파이프를 포함할 수 있다. 상기 파이프는 구조물에 연장될 수 있다. 파이프는 주위와 그 내부 사이에서 열 및/또는 냉기를 교환하도록 배치될 수 있다. 파이프는 순환 시스템으로서 나타낼 수 있다. 가열-냉각 시스템은 복수의 가열기-냉각기 유닛을 포함할 수 있고, 복수의 가열기-냉각기 유닛은 직렬로 연결될 수 있다. 가열기-냉각기 유닛 (280)은 이러한 실시예에서 일층에서, 구조물 (200)의 공기를 냉각하도록 배치된다. 이는 장치, 더욱 구체적으로 지하 열 에너지 저장 장치 (300)로부터 물과 같은 냉각된 액체를 회수하는 가열-냉각 시스템에 의해 수행될 수 있다. 냉각된 액체는 예를 들어 약 8 ℃의 온도를 가질 수 있다. 다른 온도도 가능하다는 점에 유의해야 한다. 냉각 액체는 파이프를 사용하여 지하 열 에너지 저장 장치 (300)와 가열기-냉각기 유닛 (280) 사이에서 순환되고 운반되며, 구조물 내의 공기에 의해 간접적으로 가열된다. 가열된 냉각 액체는 지하 열 에너지 저장 장치로 다시 전달된다. 가열된 냉각 액체는 예를 들어 약 18 ℃의 온도를 가질 수 있다. 그러나 다른 온도도 가능하다는 점에 유의해야 한다.
일 실시예에서, 냉각 액체는 일층 (250)에서 공기에 의해 가열된 후 애틱 (240)으로 이송된다. 애틱 (240)에서, 냉각 액체는 예를 들어 태양 전지에서의 열 및/또는 태양 전지 및/또는 창을 통해 전달된 태양열에 의해 추가로 가열된다. 지하 열 에너지 저장 장치 (300)에서 구조물 (200)로 냉각 액체를 공급하기 위해 펌프 (미도시)가 배치된다. 애틱에서 냉각된 액체를 추가로 가열함으로써 장치의 효율이 향상되는데, 이는 더 많은 열이 동일한 양의 펌핑 전력을 이용하는 지하 열 에너지 저장 장치 (300)로 전달될 수 있기 때문이다.
일 실시예에서, 냉각 액체는 태양 전지를 따라 연장되는 파이프에서 순환되는 애틱 (260)에 있다. 도 1의 실시예에서, 냉각 액체는 냉각기 유닛 (290)에서 순환된다.
장치의 효율을 더욱 증가시키기 위해, 냉각 액체는 구조물 (200)의 외부에 배치된 외부 냉각기 유닛 (295)으로 이송되어 구조물 외부의 공기에 의해 가열된다.
가열기-냉각기 유닛 (280)은 이러한 실시예에서 일층 (250)에서 구조물 (200) 내의 공기를 가열하도록 배치될 수 있다. 이는 지하 열 에너지 저장 장치 (300)로부터 가열된 액체, 예를 들어 물을 회수하는 장치에 의해 수행될 수 있다. 가열된 액체는 순환된 후 파이프를 이용하여 지하 열 에너지 저장 장치 (300)와 가열기-냉각기 유닛 (280) 사이에 이송되며, 구조물 내의 공기에 의해 간접적으로 냉각된다. 냉각된 가열 액체는 지하 열 에너지 저장 장치로 반송된다.
지하 열에너지 저장 장치 (300)는 예를 들어 암석, 암반, 토양과 같은 지하 매체에 형성될 수 있다. 지하 열 에너지 저장 장치 (300)는 터널 벽, 지하 터널 및 지하 매체에 형성되는 터널 벽을 갖는 적어도 하나의 지하 터널을 포함할 수 있다.
지하 열 에너지 저장 장치 (300)는 터널의 단면적보다 작은 단면적을 갖는 적어도 하나의 채널을 포함할 수 있으며, 상기 채널은 지하 매체에 형성된다. 일 실시예에서, 지하 열 에너지 저장 장치 (300)는 적어도 하나의 샤프트(shaft) 및/또는 적어도 하나의 챔버(chamber)를 포함한다. 지하 열 에너지 저장 장치는 도 2a와 관련하여 자세히 설명될 것이다.
구조물 (200)은 복수의 기후 구역(zone)을 포함할 수 있으며, 상기 기후 구역은 상이한 온도를 갖는다. 도 1의 실시예에서, 하나의 기후 구역이 서브-영역 (262)을 따라 연장되도록 배치될 수 있다. 기후 구역을 생성하기 위해, 적어도 하나의 벽이 기후 구역을 한정 또는 정의하도록 배치될 수 있다. 적어도 하나의 벽은 서브-영역 (262)을 따라 연장되도록 배치될 수 있다.
가열기-냉각기 유닛 (280)은 구조물 (200)의 공기 중의 증기를 물로 변환시킴으로써 구조물 (200)의 공기에서 물을 회수하도록 배치될 수 있다. 예를 들어 온실의 경우, 상대 대기 습도가 약 80%이고, 약 90% 미만인 것이 바람직하다. 상대 대기 습도는 구조물에서 성장하는 식물의 유형에 적용될 수 있다. 재배 구조물은 습도를 측정하도록 배치된 측정 유닛(measuring unit)을 포함할 수 있다. 측정 유닛은 가열-냉각 시스템의 제어 시스템에 연결될 수 있다. 공기 중의 물은 식물의 관개 및 식물의 증산(transpiaration)과 증발에서 비롯된다. 주변 공기의 온도와 습도는 식물의 증산에 영향을 미친다.
공기가 냉각되면 공기는 더 적은 습기를 포함한다. 공기로부터 물이 회수되는 경우 회수되는 열은 지하 열 에너지 저장 장치, 지역 난방 시스템으로 이송 및/또는 다른 가정에 판매될 수 있다.
냉각기 유닛 (290)은 공기 중의 증기를 물로 변환시킴으로써 애틱 (240) 내의 공기로부터 물을 회수하도록 배치될 수 있다. 외부 냉각기 유닛 (295)은 구조물 (200)을 둘러싸는 공기 내의 증기를 물로 변화시킴으로써 구조물 (200) 외부의 공기로부터 물을 회수하도록 배치될 수 있다.
구조물 (200)은 재배용 영역 (260)을 관개하도록 배치된 관개 시스템을 포함할 수 있다. 관개 시스템은 가열-냉각 시스템에 연결될 수 있고, 가열-냉각 시스템으로부터 회수된 물을 재배용 영역 (260)으로 이송하도록 배치될 수 있다. 관개 시스템은 빗물로부터 물을 회수하도록 배치된 빗물 수집기 (미도시)에 연결될 수 있다. 회수된 물은 증류수만큼 깨끗할 수 있다. 회수된 물의 양이 관개 시스템에 의해 요구되는 양보다 많은 경우, 과량의 물은 장치로부터 이송될 수 있다. 선택적으로, 과량의 물은 다른 가정에 판매될 수 있다. 그 다음, 장치는 예를 들어, 조류, 먼지 및 입자로부터 물을 세척하기 위한 정화 장치를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 관개 시스템은 구조물 내에 배치될 수 있고, 재배 영역을 관개하도록 배치될 수 있는 복수의 노즐을 포함한다. 물은 노즐에서 분무될 수 있다. 일 실시예에서, 구조물 내의 공기는 노즐로부터 분무된 분사 물에 의해 가열 및/또는 냉각될 수 있다. 노즐로부터 방출되는 물의 양은 관개에 필요한 물의 양과 가열 및/또는 냉각을 위한 추가 양을 포함하는 것이 바람직하다. 노즐이 열 및/또는 냉기를 제공함에 따라, 노즐은 가열-냉각 시스템에 포함될 수도 있다.
도 2a는 본 발명의 재배 구조물의 일 실시예를 나타낸다. 장치 (102)에서, 구조물 (202)은 지붕 (210) 및 절연될 수 있는 벽 (220)을 갖는 불투명한 건물이다. 복수의 태양 전지 (212)는 지붕 (210) 상에 배치되고, 복수의 태양 전지 (212)는 투명하거나 적어도 부분적으로 투명할 수 있다. 따라서, 태양광은 태양 전지 (212)를 통해 구조물 내로 유입될 수 있다.
구조물 (102)은 애틱 (240) 및 복수의 플로어 (250a-d)를 포함한다. 복수의 플로어 (250a-d)는 각각 재배 영역 (252)을 포함한다.
따라서, 구조물 내에서 재배가 복수의 레벨에서 수행될 수 있어, 성장 영역을 증가시킬 수 있다. 적어도 하나의 가열기-냉각기 유닛이 각각의 플로어 상에 배치될 수 있고, 가열기-냉각기 유닛은 직렬로 연결될 수 있다.
구조물 (200)은 복수의 기후 구역을 포함할 수 있으며, 상기 기후 구역은 서로 다른 온도를 갖는다. 도 2a의 실시예에서, 각각의 플로어는 서로 다른 기후 구역을 가질 수 있다.
복수의 LED (272) (도 2b에 나타냄)는 재배를 위한 영역 (252)을 조명하도록 배치된다. 복수의 LED (272)는 예를 들어, 재배 영역에 배치될 수 있다.
태양 전지 (212)는 복수의 LED (272)에 전력을 공급하도록 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 태양 전지는 적어도 부분적으로 복수의 LED에 전력을 공급하도록 배치된다. 태양 전지는 태양광의 에너지를 전기로 변환하도록 배치된다. 일 실시예에서, 태양 전지는 변압기(transformer)를 통해 LED에 직접 연결된다. 태양 전지를 그리드 (400)에 연결하고 또한 LED를 그리드 (400)에 연결하는 것이 유리할 수 있다. 이러한 방식으로, 과량의 전기가 다른 곳에서 사용될 수 있다. 변압기 (450)는 그리드와 장치 사이에 배치될 수 있다.
장치 (102)는 도 1의 냉각기 유닛 (245)에 대응하는 냉각기 유닛 (245) 및 도 1의 가열기-냉각기 유닛 (280)에 대응하는 적어도 하나의 가열기-냉각기 유닛 (미도시)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 가열기-냉각기 유닛이 각각의 플로어 (250a-d) 상에 배치된다.
냉각 액체는 지하 열 에너지 저장 장치로부터 회수되고, 일층으로 이송될 수 있고, 이는 낮은 레벨로도 나타낼 수 있다. 액체는 파이프에서 순환될 수 있으며, 열은 주변 공기와 교환될 수 있다. 냉각 액체는 구조물 내에서 연속적으로 상부로 이송될 수 있다. 구조물 내에서 순환된 후, 예를 들어 가열기-냉각기 유닛 및/또는 냉각기 유닛을 통해, 액체의 온도는 70 내지 100 ℃까지 될 수 있다. 이러한 열 에너지는 지하 열 에너지 저장 장치로 전달된 후 다른 시간이나 다른 목적으로 활용될 수 있다. 약 70 ~ 100 ℃의 온도 범위는 지역 난방의 온도에 해당한다. 따라서, 이러한 온도에 도달하기 위해 열 펌프가 필요하지 않다.
구조물 (202)은 재배 영역을 관개하도록 배치된 관개 시스템을 포함할 수 있다. 관개 시스템은 가열기-냉각기 유닛 및/또는 냉각기 유닛에 연결될 수 있고, 가열기-냉각기 유닛 및/또는 가열기 유닛으로부터 재배 영역으로 회수된 물을 이송하도록 배치될 수 있다. 관개 시스템은 빗물로부터 물을 회수하기 위해 배치되는 빗물 수집기 (미도시)에 연결될 수 있다. 회수된 물은 증류수와 거의 동일한 수준으로 깨끗하다. 회수된 물의 양이 관개 시스템에 의해 요구되는 양보다 많은 경우, 과량의 물은 장치로부터 이송될 수 있다. 선택적으로, 과량의 물은 다른 가정에 판매될 수 있다. 그 다음, 장치는 예를 들어, 조류, 먼지 및 입자로부터 물을 세척하기 위한 정화 장치를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 관개 시스템은 구조물에 배치될 수 있고 재배 영역을 관개하도록 배치될 수 있는 복수의 노즐을 포함한다. 물은 노즐로부터 분무될 수 있다.
일 실시예에서, 구조물 내의 공기는 분사되는 물에 의해 가열 및/또는 냉각될 수 있다. 노즐로부터 방출되는 물의 양은 관개에 필요한 물의 양과 가열 및/또는 냉각을 위한 추가 양을 포함하는 것이 바람직하다.
냉각기 유닛 및 적어도 하나의 가열기-냉각기 유닛은 지하 열 에너지 저장 장치 (302)에 연결된다.
지하 열 에너지 저장 장치 (302)는 지하 매체 (500) 또는 예를 들어 암석, 암반, 토양과 같은 땅에 형성된다. 지하 열 에너지 저장 장치 (302)는 터널 벽 (312)을 갖는 제1 지하 터널 (310)을 포함하고, 제1 지하 터널 (310) 및 터널 벽 (312)이 지하 매체 (500)에 형성된다. 지하 열 에너지 저장 장치 (302)는 터널 벽 (316)을 갖는 제2 지하 터널 (314)를 포함할 수 있고, 제2 지하 터널 (314) 및 터널 벽 (316)은 지하 매체 (500)에 형성된다.
각각의 터널 (310, 314)은 각각의 원호를 따라 적어도 부분적으로 연장될 수 있다. 각각의 터널 (310, 314)은 나선형으로 형성될 수 있으며, 2개의 터널 (310, 314)은 내측 나선 (310) 및 외측 나선 (314)을 형성하고, 여기서 외측 나선 (314)은 내측 나선 (310) 주위에 배치된다. 제1 지하 터널 (310)은 내부 터널일 수 있고, 제2 지하 터널 (314)은 외부 터널일 수 있다.
제1 지하 터널 (310)과 제2 터널 (314)은 터널 간 유체 소통이 가능하도록 적어도 하나 이상의 통로 (340)에 의해 서로 연결될 수 있다. 적어도 하나의 통로 (340)는 통로 벽 (342)을 가질 수 있으며, 적어도 하나의 통로 (340) 및 통로 벽 (342)은 지하 매체에 형성된다. 통로의 단면은 터널 (310, 314)의 단면과 대략 동일한 크기이다.
터널 (310, 314)은 물과 같은 유체를 저장하도록 배치될 수 있다.
지하 열 에너지 저장 장치 (302)는 터널의 단면적보다 작은 단면적을 갖는 복수의 채널 (320)을 포함한다. 채널 (320)은 지하 매체 (500)에 형성된다. 채널 (320)은 터널, 터널의 상이한 높이 및/또는 통로 (하기에서 더욱 기술됨)를 연결할 수 있다. 채널은 터널들 사이에 단단한 패턴으로 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 지하 열 에너지 저장 장치 (302)는 적어도 하나의 샤프트 (330) 및/또는 적어도 하나의 챔버 (미도시)를 포함한다. 터널 (310, 314)은 터널과 샤프트 사이에서 유체 소통이 허용되도록 복수의 통로들에 의해 샤프트 (330)에 연결될 수 있다.
지하 열 에너지 저장 장치 (302)는 예를 들어 구조물 내 및/또는 구조물과 연결된 터널에서 상기 유체를 처리하도록 적절한 수직 레벨에서 터널 및/또는 샤프트로부터 상기 유체의 임의의 부분을 추출하기 위해 배치된 적어도 하나의 유체 소통 수단 (350)을 포함할 수 있고, 상기 유체 소통 수단은 처리된 유체를 적절한 수직 레벨에서 터널 및/또는 샤프트로 복귀시키도록 추가로 배치된다. 적어도 하나의 유체 소통 수단은 순환 시스템의 일부일 수 있다.
지하 열에너지 저장 장치를 사용하는 동안, 유체는 채널, 터널, 통로 및/또는 샤프트에서 순환되고, 열에너지가 저장된다. 또한 열 에너지는 채널, 터널, 통로 및/또는 샤프트 사이의 지하 매체에 저장된다.
일 실시예에서, 지하 열 에너지 저장 장치의 중간 섹션(section)은 중심 축의 방향에서 볼 때, 지하 열 에너지 저장 장치의 적어도 하나의 단부 섹션보다 큰 치수를 갖는다. 지하 열 에너지 저장 장치의 단부 섹션 모두가 중간 섹션보다 작은 경우, 저장 장치는 본질적으로 구형이다. 터널 및 중간 지면 모두를 포함하는 이러한 일반적으로 구형의 사용은 저장 장치의 주변 지역을 최소화하고 따라서 열 손실을 최소화하면서 저장 장치의 주변부 내에서 가능한 한 큰 부피를 형성한다. 하나의 단부 섹션만이 더 작으면, 저장 장치의 중심 축의 방향에서 볼 때 형상은 본질적으로 원뿔 또는 피라미드에 해당한다.
이러한 종류의 에너지 저장 장치는 예를 들어 95 ℃까지의 고온 유체, 4 ℃이하의 저온 유체뿐 아니라, 중간 온도를 갖는 유체의 저장을 위해 사용될 수 있다. 중간 온도는 저장될 수 있는 가장 뜨거운 유체보다 현저히 낮은 온도지만, 저장될 수 있는 가장 차가운 유체보다 높다. 중간 온도 유체는 예를 들어 저온 시스템에서 사용될 수 있다. 저온 시스템에서의 열 교환은 열 교환기를 사용하지 않고 수행될 수 있다. 대신, 중간 온도의 유체가 저온 시스템에서 순환될 수 있다. 예를 들어 40-70 ℃의 중간 온도를 갖는 유체는 통상적으로 지역 난방 시스템에서의 열교환 후에 저장 장치로 되돌아오는 유체이다.
지면에 열 에너지를 저장할 때, 저장 공간이 다른 온도를 갖는 유체의 부피 간 밀도 차이로 인해 충분히 큰 부피를 갖는 경우, 저장 장치에 층이 형성된다. 액체가 따뜻할수록 구비되는 저장 장치에서 높아진다.
고온 유체로 저장 장치를 충전할 때 유체의 하층에서 나오는 저온 유체는 저장 장치를 통과하여 순환되고, 유체가 가열되는 열 교환기를 통과한다. 열 교환기는 적어도 하나의 가열기-냉각기 유닛 및/또는 냉각기 유닛 중 임의의 하나일 수 있다. 그 후, 해당하는 높은 온도를 갖는 저장 장치 내의 유체 층에 공급된다. 상기 공정은 배출 중에 역전되고, 즉 상부층에서의 고온 유체는 열 교환기로 순환되며, 여기서 해당하는 낮은 온도를 갖는 저장 장치의 층으로 복귀된 후 에너지를 방출한다.
저온 유체로 저장 장치를 충전할 때, 유체의 높은 층에서의 고온 유체는 저장 장치를 통해 순화되고, 냉각되는 곳인 열 교환기를 통과한다. 열 교환기는 적어도 하나의 가열기-냉각기 유닛일 수 있다. 그 후, 해당하는 낮은 온도를 갖는 저장 장치 내의 유체의 층에 공급된다. 상기 공정은 배출 중에 역전되고, 즉 하부층에서의 저온 유체는 열 교환기로 순환되며, 여기서 해당하는 높은 온도를 갖는 저장 장치의 층으로 복귀된 후 에너지를 흡수한다.
저장 장치에서 사용되는 유체는 바람직하게는 물이지만, 예를 들어 물과 냉각제의 혼합물, 화석 기원 또는 생물학적 기원의 탄화수소 (바이오 연료), 염 용액, 암모니아 또는 다른 냉매와 같은 임의의 액체 연료일 수 있다.
저장 장치에 연결된 공정 장치는 공정 영역에 배치되며, 그 중에서도 열 교환기 및 펌프를 포함한다.
저장 장치는 저장 장치로 복귀된 유체가 추출될 때보다 낮은 온도를 갖는 가열용 및 저장 장치로 복귀된 유체가 추출될 때보다 높은 온도를 갖는 냉각용 모두에 사용될 수 있다.
도 2b에 나타낸 바와 같이, 재배 영역은 하이드로컬쳐 시스템 (610)을 포함할 수 있다. 따라서, 식물은 무토양 배지 또는 수계 환경에서 재배될 수 있다. 식물 영양소는 물을 통해 분배될 수 있다. 물과 영양분은 모세관 작용 또는 어떤 형태의 공급 메커니즘에 의해 분배될 수 있다. 뿌리는 점토 응집체에 고정될 수 있다. 관개 시스템은 상기 공급 매커니즘 및/또는 상기 모세관 작용을 제공하기 위한 파이프를 포함할 수 있다.
도 2b에 나타낸 바와 같이, 재배를 위한 영역은 수경 재배 (620)와 연결될 수 있다. 수경 재배는 어류, 갑각류, 연체 동물 및 수생 식물과 같은 수중 생물의 양식을 포함할 수 있다. 수중 재배로도 나타낼 수 있는 하이드로컬쳐 시스템 (610)을 수경 재배 (620)와 결합하여, 수중 재배 시스템 (630)이 얻어질 수 있다. 따라서, 장치는 수중 재배 시스템을 포함할 수 있다.
수경 재배에서의 물은 하이드로컬쳐 시스템에 공급될 수 있다. 부산물은 질산화 박테리아에 의해 질산염과 아질산염으로 분해될 수 있으며, 이는 식물에 의해 영양소로 이용된다. 그 후 물은 수경 재배 시스템으로 재순환될 수 있다.
일 실시예에서, 농장(farm)은 구조물 또는 구조물과 연결되어 배치될 수 있다. 농장은 재배 영역에 사용되는 분뇨를 제공할 수 있는 동물을 포함할 수 있다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 장치의 일 실시예를 나타낸 모식도이다. 이러한 장치 (104)에서 구조물 (204)은 덮힌 구덩이이다. 구덩이는 버려진 채석장과 같은 개방된 지면 구덩이일 수 있다. 지붕 (214)은 구덩이 상에 배치된다. 천연 구덩이 표면은 구조물 (204)의 벽 및 바닥을 구성할 수 있다. 따라서, 벽 (224) 및 바닥은 돌로 만들어질 수 있다. 구덩이의 지붕 (214)은 햇빛이 구덩이 안으로 들어오도록 하기 위해 투명할 수 있다. 일 실시예에서, 지붕은 투명/반투명 태양 전지이다. 이러한 실시예에서, 태양 전지 (212)는 지면 레벨에서 구조물 (204)에 연결되어 배치된다.
구조물 (204)은 재배를 위한 영역 (262)을 포함한다. 장치는 도 1-2와 관련하여 기술된 특징 전부 또는 일부를 포함할 수 있다.
도 3a 및 도 3b 간 차이는 도 3b에서 구덩이의 일부가 구조물을 구성하는 것이다. 구조물의 벽은 천연 구덩이 표면이 아니라 장착되었다.
구조물 (204) 내부와 같이 깊이/부피의 수직 온도 구배는 미터당 0.7 내지 1.0 백분도(centigrade)일 수 있다. 100 m 높이에서 온도 차이는 70 ~ 100 ℃ 정도로 커질 수 있다. 예를 들어, 천연 재료를 사용하는 구조물, 예를 들어 돌, 기후 쉘은 절연된 불투명 구조물보다 낮은 내열성을 갖는다. 그러나 천연 벽과 바닥은 지하 열 에너지 저장 장치로 작용하는 열 용량이 크기 때문에 활성 가열/냉각의 필요성이 감소된다.
상기 구조물은 도 1 및 도 2와 관련하여 기술된 지하 열 에너지 저장 장치 (300 및/또는 302)에 대응할 수 있는 지하 열 에너지 저장 장치 (304)에 연결된다. 또한, 장치 (104)는 도 1 및 도 2와 관련하여 설명된 유닛들에 대응하는 적어도 하나의 가열기-냉각기 유닛 및/또는 적어도 하나의 냉각기 유닛을 또한 포함할 수 있다.
일 실시예 (미도시)에서, 구조물은 터널 또는 터널의 일부이다. 이러한 실시예에서, 태양광이 구조물 내로 유입되지 않는다. 구조물이 터널의 일부인 경우 벽이 터널에 배치될 수 있다. 상기 장치는 도 1-3에서 설명된 특징 전부 또는 일부를 포함할 수 있다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 장치 (106)는 지구, 달, 소행성, 혜성 및/또는 우주 정거장 이외의 다른 행성 상에 배치될 수 있다. 구조물 (206)은 외계 덮힌 분화구일 수 있다. 설명된 바와 같이, 태양 전지 (212)는 구조물 (206)에 연결되어 배치될 수 있다. 이러한 실시예에서, 구조물의 지붕 (216)은 돔 형상이다. 지하 열 에너지 저장 장치는 구조물 (206)에 연결되어 배치될 수 있고, 구조물에 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 구조물 (206)은 사람과 동물이 살 수 있는 지하 매체에 형성된 적어도 하나의 구멍을 포함한다. 구멍의 지붕이 지하 매체에 형성될 수 있기 때문이다. 이는 들어오는 물체에 대한 보호 기능을 제공한다는 점에서 유리하다. 예로서, 운석은 구조물 (206)의 지붕 (216) 위에 떨어져 지붕 (216)을 파손할 수 있다.
일 실시예에서, 불투명한 구조물은 하루가 비교적 짧은 사하라 사막에 배치될 수 있지만, 식물은 일반적으로 한밤중의 태양에 사용되는 식물이 재배될 수 있다.
도 5는 본 발명의 장치 (1)의 실시예를 나타낸 모식도이다. 에너지의 입력/출력에 대한 고성능을 위해 설계된 탱크, 지하 동굴 또는 지하 열 에너지 저장 장치일 수 있는 지하 열 에너지 저장 장치 (2)를 나타낸다.
에너지 저장 장치 (2)에서, 상이한 온도의 에너지는 저장될 수 있다. 에너지 저장 장치의 상부층은 더 차가운 하부층보다 더 높은 온도를 갖는다. 이들 사이의 전이 구역에서 중간 온도를 갖는 층이 또한 존재한다. 에너지 저장 장치의 층 내의 온도는 온도 간격 T1, T2 및 T3로 정의될 수 있다. 이러한 간격은 임의의 특정 작업 조건에 적용될 수 있다. 일례로서, 제1 온도 간격 T1은 15 ℃ 내지 65 ℃의 범위 내에 있고, 제2 온도 간격 T2는 50 ℃ 내지 100 ℃의 범위 내에 있을 수 있으며, 제3 온도 간격 T3은 4 ℃ 내지 25 ℃의 범위일 수 있다. 간격 T2의 온도는 기간 동안 예를 들어 150 ℃까지와 같이 더 높을 수 있다.
에너지 저장 장치 (2) 내의 층은 상이한 온도를 갖는 유체, 즉 액체 물 사이의 밀도 차이 때문이다. 따뜻한 액체 물은 4 ℃ 이상의 범위의 냉각수보다 밀도가 낮고, 이는 상이한 온도의 물이 에너지 저장 장치 내의 상이한 수직 레벨, 즉 수직 온도 계층화(stratification)에 놓이게 되는 것을 야기한다. 밀도에서의 차이는 에너지 저장 장치로부터 열의 추출 동안 낮은 밀도를 갖는 따뜻한 물로서 구배 흐름(gradient flow)이 발생되고, 저장 장치를 통해 냉각되는 곳인 열 교환기로 상부로 흐른다. 복귀 파이프에서, 밀도의 차이는 더 차가운 물의 하부 흐름을 발생시킨다. 이는 전기 에너지 소모를 줄이기 위해 구배 흐름에 사용할 수 있는 중력을 일으키는 서로 다른 밀도의 두개의 물기둥으로 나타난다. 에너지 저장 장치에 열을 충전하는 동안 효과가 반전되고, 펌프 또는 모터와 같은 추가 전기 에너지원은 흐름을 구동하기 위해 추가되어야 한다.
에너지 저장의 충전은 여름에 주로 이루어지기 때문에 배출이 겨울에 주로 이루어지고, 이는 추가적인 전기 에너지가 여름 동안 공급을 위해 필요하지만, 수요와 비용이 더 높은, 즉 전기 에너지의 계절 저장인 경우 겨울 동안 생성될 수 있다는 것을 의미한다. 추가 전기 에너지는 여름에 전기 모터를 갖는 펌프에 의해 공급된다. 동일한 펌프-전기 모터가 겨울 동안 터빈-전기 발전기로 사용된다. 에너지 저장 장치의 수직 높이가 높으면 이러한 효과가 커진다.
저장 장치의 모든 용량을 사용하기 위해, 서로 다른 가능한 온도를 효과적으로 사용하는 것이 유리하다. 하나의 조건은 저장 장치가 다른 높이에서 입구와 출구와 함께 제공된다는 것이다. 따라서, 처리 영역에서 작동되고, 적어도 하나의 열 교환기 (9)에 의해 유체의 처리가 가능하도록 에너지 저장 장치의 적절한 수직 레벨에서 에너지 저장 장치로부터 유체의 일부를 회수하도록 배치되는 텔레스코픽 파이프(telescopic pipe)와 같은 복수의 유체 소통 수단 (11)이 있다. 유체 소통 수단은 처리된 유체를 에너지 저장 장치의 적절한 수직 레벨에서 에너지 저장 장치로 복귀시키도록 추가로 배치된다.
에너지 저장 장치 (2)는 열교환기 (9)를 통해 열-흡수 시스템 (3, 4) 및/또는 열-방출 시스템 (7)에 연결될 수 있다. 열-흡수 시스템 (3)은 도 1-4 중 어느 하나와 관련하여 설명된 구조물일 수 있다. 도 2a의 구조물은 도 5에서 설명되고, 에너지 저장 장치에 연결된다. 일 실시예에서, T1은 31 ℃ 내지 16 ℃의 범위 내에 있을 수 있고, T2는 60 ℃ 내지 40 ℃의 범위 내에 있을 수 있으며, T3는 20 ℃ 내지 4 ℃의 범위 내에 있을 수 있다.
예로서, 열-흡수 시스템 (3)은 건물의 가열을 위한 가열 시스템과 같은 저온 시스템일 수 있다. 제1 열-흡수 시스템 (3)은 열교환기 (10)에 연결된다. 온도 구간 T1에서와 같이 제1 온도의 에너지는 에너지 저장 장치 (2)로부터 회수되고, 열 교환기(10)를 사용하여 건물을 가열하는 데 사용된다. 열-흡수 시스템 (3)은 시스템에서 컨슈머(consumer)로부터 열을 수집하는 열-방출 시스템으로서 사용될 수도 있다.
열-흡수 시스템 (4)의 또 다른 예는 고온 시스템, 바람직하게는 지역 난방 시스템이다. 열-흡수 시스템 (4)은 에너지 저장 장치 (2)로부터 채택된 구간 T2 내의 온도를 갖는 에너지 또는 내부 결합된 가열 및 냉각 장치 (15)로부터 직접 채택된 구간 T2 내의 온도를 갖는 에너지로 충전될 수 있다. 내부 결합된 가열 및 냉각 장치 (15)는 하기에서 더욱 상세하게 설명된다. 열-흡수 시스템 (4)은 또한 시스템에서 컨슈머로부터 열을 수집하는 열-방출 시스템으로 사용될 수 있다.
여기서, 에너지라는 용어는 열 에너지 및/또는 온도를 갖는 유체 또는 액체로 해석될 수 있다.
열-방출 시스템 (7)은 산업 설비 또는 폐열의 다른 연료원, 열병합 발전소 (CHP), 발전 및/또는 가열을 위한 태양 패널, 열 펌프, 바이오 연료 보일러, 전기 온수 보일러 및/또는 전기 스팀 보일러, 또는 화석 연료 보일러에 의해 제공될 수 있는 에너지를 제공한다. 전기 그리드를 조절하기 위한 장치로서 사용하기 위해 열병합 발전소와 전기 온수 보일러 및/또는 전기 스팀 보일러가 크게 바람직한 장치이다.
열-방출 시스템 (7)에 배치된 열병합 발전소 (CHP)는 일반적으로 대규모 플랜트에 대해 열 및 전력을 2:1의 비율로 발생시킨다. 전기 가격이 낮은 기간에는 전기 발생 없이 에너지 생산이 바람직할 수 있다. 전체 보일러 용량은 이러한 시점에서 열로서 발생하는데, 즉 정상 열 발생의 150%이다. 열병합 발전소를 발전시키는 경우, 비율은 1:1이고 보일러 용량은 200%일 수 있다. 그러나 플랜트의 응축기(condenser) 및 증기 변압기(과열 증기를 포화 증기로 변환하기 위함)와 같은 추가 장치가 플랜트 내에 요구된다. 에너지 저장 장치 (2)와 결합하여, 터빈은 동기식 발전기에 의해 전기 그리드에 연결될 수 있고, 낮 시간 동안 전기 생산없이 작동되며, 에너지 저장 장치에 열만 공급한다. 야간에 필요할 경우, 열병합 발전소는 최대 전력 (풍력/태양열 보상)으로 전기를 생산할 수 있다. 전술한 바와 같이, 지하 열에너지 저장 장치와 결합하여 작동되는 복합 화력 발전소의 추가는 수초 내에 그리드 변화를 보상할 수 있는 시스템에 회전 질량(rotating mass)이 포함되는 것을 의미한다.
열-방출 시스템 (7)에 배치된 전기 온수 보일러 및/또는 전기 스팀 보일러는 예를 들어 낮 동안의 전력 소비(풍력/태양 첨두부하 저감(peak-shaving))를 위한 전기 잉여 에너지의 첨두부하 저감을 위해 사용될 수 있다.
전술한 열병합 발전소와 전기 온수 보일러 및/또는 전기 스팀 보일러는 새로운 설비일 수도 있고 기존 설비일 수도 있다.
시스템은 에너지 저장 장치 (2)에 연결된 내부 가열 및 냉각 장치 (15)를 더 포함한다. 일 태양에서, 시스템은 가열 및 냉각 목적을 위한 에너지 저장 장치 (2)의 에너지 저장 용량을 증가시키기 위해 사용된다. 또 다른 양태에서, 상기 시스템은 저장 장치의 가열 용량을 증가시키기 위해 사용된다.
내부 가열 및 냉각 장치 (15)는 적어도 2개의 열 펌프를 포함하는 것이 바람직하다. 내부 가열 및 냉각 장치 (15)는 전술한 바와 동일한 방식으로 유체 소통 수단 (11)에 의해 에너지 저장 장치 (2)에 연결된다.
일례로서, 내부 가열 및 냉각 장치 (15)는 에너지 저장 장치에서의 온도 구간 T1의 한 레벨로부터 유체를 회수하는 한편, 고온을 갖는 가열된 유체를 구간 T2및 저온을 갖는 냉각된 유체를 구간 T3로, 에너지 저장 장치의 해당 수준 또는 예를 들어 열-흡수 시스템 (4)으로 직접적으로 복귀시킨다. 그러나, 유체는 또한 온도 구간 T1의 하나의 레벨로부터 회수될 수 있고, 동일한 온도 구간 T1의 레벨보다 따뜻하게, 동일한 온도 구간 T1의 낮은 레벨인 차갑게 복귀될 수 있다. 따라서, 가열되고 냉각된 유체는 유체가 회수되는 이상 및 이하의 레벨, 즉 높고 낮은 온도를 갖는 레벨로 배치된 에너지 저장 장치 내의 임의의 유체 층으로 복귀될 수 있다.
전술 한 바와 같이, 내부 가열 및 냉각 장치 (15)는 적어도 2개의 열 펌프를 포함한다. 각각의 열 펌프는 적어도 2개의 압축기를 포함하며, 이는 열 펌프의 냉매 측에 직렬 및 병렬로 연결될 수 있다. 그러나, 각각의 열 펌프 내의 열 펌프의 수 및 압축기의 수는 임의의 적절한 수일 수 있다. 열 펌프/압축기의 수가 많을수록 내부 가열 및 냉각 장치 (15)가 더 효율적이다. 그러나 구성 요소 수의 증가로 이어지는 비용 증가를 따져 보아야 한다.
내부 가열 및 냉각 장치 (15)는 예를 들어 중간 온도 레벨로부터 온도 구간 T1 내 에너지 저장 장치의 제1 레벨로부터 유체를 회수한다. 열 펌프는 이러한 에너지를 가열 및 냉각 모두를 목적으로 하기 위한 에너지로 동시에 변환하는데 사용된다. 가열 및 냉각을 위한 에너지는 에너지 저장 장치에 해당하는 온도 레벨로 정확하게 복귀되거나, 예를 들어 지역 난방 시스템과 같은 열-흡수 시스템 (4)로 직접 전달된다. 개개의 열 펌프는 서로 다른 냉매를 사용할 수 있다. 최대 성능 계수 (COP)를 달성하기 위해 증발기, 응축기 및 서브-냉각기의 수면(water side) 위로의 흐름이 개개 열 펌프를 지나 필요한 온도 상승을 줄이기 위해 직렬로 배치된다.
일 실시예에서, 내부 결합된 가열 및 냉각 장치는 변압기를 통해 태양 전지에 직접 연결된다. 태양 전지를 그리드에 연결하는 대신 내부 결합된 가열 및 냉각 장치를 그리드에 연결하는 것이 유리할 수 있다. 이런 방식으로, 과잉 전기는 다른 곳에서 사용될 수 있다.
제1 실시예에서, 제1 및 제2 열 펌프는 각각 직렬로 연결된 적어도 2개의 압축기를 포함한다. 직렬 연결은 전기 가격이 낮을 때 사용하는 것이 바람직하다. 이 러한 실시예에서, 온도 구간 T1 (45 ℃)에서의 에너지를 이용하여 열 펌프는 상위 온도 구간 T1 (95 ℃)을 위한 에너지 및 하위 온도 구간 T3 (5 ℃)를 위한 에너지를 생성한다. 가열을 위한 성능 계수 (COP) 3-4가 달성된다. 냉각 효과가 포함되면 COP는 5-6이다. 실제 값은 열 펌프의 수, 압축기의 수 및 시스템의 효율에 따라 달라진다.
제2 실시예에서, 제1 및 제2 열 펌프는 각각 병렬로 연결된 적어도 2개의 압축기를 포함한다. 병렬 연결은 전기 가격이 상대적으로 높을 때 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 실시예에서, 열 펌프는 상위 레벨 온도 구간 T1에서의 에너지 또는 하위 레벨 온도 구간 T2 (65 ℃)에서의 에너지를 이용하여, 상위 온도 구간 T2 (90-95 ℃) 및 중간 온도 구간 T1 (40 ℃)를 위한 에너지를 생성한다. 직렬로 연결된 압축기의 COP보다 약 3배 높은 가열 및 냉각을 위한 COP가 달성된다. 실제 값은 열 펌프의 수, 압축기의 수 및 시스템의 효율에 따라 달라진다.
제3 실시예에서, 제1 및 제2 열 펌프는 또한 각각 병렬로 연결된 적어도 2개의 압축기를 포함한다. 이러한 실시예에서, 열 펌프는 상위 온도 구간 T3에서의 에너지 또는 하위 레벨의 온도 구간 T1 (20 ℃)에서의 에너지를 이용하여, 중간 온도 구간 T1 (55 ℃) 및 하위 온도 구간 T3 (5 ℃)를 위한 에너지를 생성한다. 직렬로 연결된 압축기에 대한 COP보다 약 3배 높은 가열 및 냉각을 위한 COP가 달성된다. 실제 값은 열 펌프의 수, 압축기의 수 및 시스템의 효율에 따라 달라진다.
제2 실시예에 따른 병렬 연결은 중간 온도 레벨에서의 에너지가 종래의 지역 난방 레벨에 상응하는 고온으로 변환될 수 있는 방법과 저온 시스템에 상응하는 온도에서 에너지를 동시에 발생시키는 방법을 나타낸다. 제3 실시예에서, 동일한 장치는 5 ℃ 온도 수준에서의 냉각 에너지의 생산 및 저온 시스템을 위한 온도의 생산을 최적화하기 위해, 하위 레벨에서 에너지 저장 장치로부터 에너지를 추출할 수 있다.
전술한 지하 열에너지 저장 장치 시스템의 한가지 장점은 특정 기간에서 그리드 및 에너지 저장 장치에서의 특정 조건에 따라, 에너지가 회수되고 방출되는 온도 레벨을 선택함으로써 에너지 저장을 최적화할 수 있는 것이다.
직렬 및 병렬 연결을 모두 갖는 압축기의 다른 작동은 직렬로 작동하는 압축기 유닛의 수에 대응하는 상이한 크기의 압축기를 필요로 할 수 있다. 이러한 장치에서 압축기는 하나의 공통 모터에 연결될 수 있다. 대안적으로, 압축기는 동일한 크기일 수 있지만, 직렬 연결에서, 압축기와 모터 사이의 속도 조절이 필요하다. 기계식 기어 또는 전기 모터의 주파수 조절과 같은 다른 장치가 상기 목적을 위해 사용될 수 있다. 전기 모터 대신 유압 모터 또는 증기 터빈을 사용할 수 있다.
도 6은 본 발명의 구조물의 일 실시예를 나타낸다. 본 발명의 구조물은 도 1-5의 지하 열 에너지 저장 장치 중 어느 하나와 결합될 수 있다. 구조물 (208)은 간결함을 이유로 도시되지 않은 지붕을 가질 수 있다. 태양 전지는 구조물에 연결되어 배치될 수 있다.
구조물 (208)은 서로 다른 기후 구역을 갖는 복수의 레벨을 포함하고, 기후 구역은 서로 다른 온도 및 서로 다른 공기 습도를 갖는다. 구조물의 하위 레벨에서의 기후 구역은 더 낮은 온도 및 공기 습도를 갖는다. 기후 구역이 구조물에서 높을수록 온도와 공기 습도는 더 높아진다. 최하위 기후 구역 (710)은 극지방의 기후를 갖는다. 기후 구역 (710)에서 물은 얼음으로 얼어붙을 수 있고, 북극곰이 살 수 있다. 기후 구역 (770)은 열대성 기후를 가지며, 열대 우림을 포함한다.
복수의 기후 구역은 열 대류를 발생시킨다. 열 및 습기는 구조물의 지붕을 향한 방향으로 위쪽으로 이동한다. 구조물은 또한 기후 구역의 온도를 조절하기 위해 열 및/또는 냉기를 제공하도록 배치된 가열-냉각 시스템을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 구조물은 얼음을 생성하기 위한 장치를 포함하여 극지대에서 얼음 링을 생성할 수 있다. 비록 동물들만이 묘사되었지만, 사람들이 구조물에 있을 수도 있다. 상기 구조물은 예를 들어, 사람들이 방문할 수 있는 동물원일 수 있다. 동물은 우리 또는 울타리에 가두어 놓을 수 있다.
LED는 복수의 기후 구역을 조명하도록 배치될 수 있다. LED는 조명 부품(light fittings)에 배치될 수 있다. 일 실시예에서, LED는 복수의 레벨에 배치된 가로등에 포함된다.
이러한 실시예는 본 명세서에 설명된 다른 실시예들 중 임의의 하나와 결합 될 수 있다.
도 7은 도 1의 본 발명의 장치의 일 실시예와 차이를 나타낸다. 장치 (800)의 구조물에서, 수평 기후 구역이 제공된다. 벽은 재배를 위한 영역 (262)을 따라 연장되어 배치된다. 영역 (262)을 갖는 방의 공기는 구조물의 나머지 부분보다 다른 온도 및 공기 습도를 가질 수 있다. 예로서, 노즐을 사용하여 더 많은 수분 및/또는 열이 제공될 수 있다.
수평 기후 구역은 본 명세서에 기재된 모든 구조물에 배치될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 기후 구역을 구분하기 위해 벽을 구조에 배치할 수 있다.
개시된 실시예에 대한 다른 변형은 도면, 명세서 및 첨부된 청구 범위의 연구로부터 청구된 발명을 실시하는 당업자에 의해 이해되고 영향받을 수 있다. 일례로서, 여기에 설명된 지하 열에너지 저장 장치는 실시예에서 호환 가능하다. 여기에 기술된 모든 실시예들은 결합 될 수 있다.
재배를 위한 영역을 조명하는 광의 양을 증가시키기 위해, 구조물은 재배를 위한 영역으로 반사된 빛을 향하게 하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 천장, 벽, 바닥 및 내부와 같은 구조물 내부의 표면은 거울, 반사 물질 및/또는 반사 코팅과 같은 반사 표면을 가질 수 있다. 표면에는 형광 코팅이 있을 수도 있다.
구조물은 불투명할 수 있다. 일 실시예에서, 불투명 구조물은 절연 지붕, 벽 및 창을 갖는 건물일 수 있다. 창은 투명하거나 반투명한 태양 전지일 수 있다. 다른 실시예에서, 태양광은 구조물로 들어가지 않고 대신 LED를 사용하여 조명이 인공적이다. 또 다른 실시예에서, 구조물은 온실이다.
다른 실시예에서, 구조물은 주거 및/또는 상업 지역과 결합된다. 예로서, 상기 구조물은 주거 및/또는 상업 지역 내에 배치될 수 있다. 다른 예에서, 구조물은 주거 및/또는 상업 지역을 적어도 부분적으로 둘러싸도록 배치된다. 후자의 실시예에서, 구조물은 적어도 부분적으로 투명하다.
구조물은 재배를 위한 복수의 서브-영역을 포함할 수 있으며, 서브-영역은 구조물에서 복수의 수평 레벨에 배치된다. LED는 서브-영역을 조명하도록 배치될 수 있다. 서로 다른 레벨은 온도에 따라 배치될 수 있다. 온도는 서로 다른 성장 사이클을 위해 바람직한 레벨이 되게 조절될 수 있다. 수직 계층화의 효과가 이용될 수 있다. 습도는 서로 다른 성장 사이클을 위해 바람직한 레벨이 되도록 조절될 수 있다. 가열-냉각 시스템은 실내 기후를 조절하도록 구성된 제어 시스템을 포함할 수 있다. 재배 구조물의 실내 기후를 조절하는 단계는 온도, 빛, 이산화탄소 및 습도 중 적어도 하나를 조절하는 단계를 포함할 수 있다. 특히, 재배 구조물의 실내 기후를 조절하는 단계는 온도 수준, 빛의 양 및/또는 파장, 이산화탄소의 백분율 및 습도 중 적어도 하나를 조절하는 단계를 포함할 수 있다. 제어 시스템은 복수의 측정 유닛을 포함할 수 있다. 측정 유닛은 온도, 습도, 이산화탄소 및 빛 중 적어도 하나를 측정하도록 배치될 수 있다. 측정 유닛은 온도와 같은 하나의 양을 측정하는데 전용될 수 있거나, 예를 들어 온도, 습도 및 빛과 같은 복수의 양을 측정하기 위해 배치될 수 있다. 측정 유닛은 구조물에서의 공기 온도, 구조물 외부 공기의 온도 및 경작물의 온도를 측정하기 위해 배치될 수 있다.
LED는 적합한 파장을 가지도록 선택될 수 있고, 효과적이지 않은 파장은 제외될 수 있다. 예를 들어, 푸른 빛 (400-490nm)과 붉은 빛 (약 600-690nm)은 재배와 성장률을 증가시킬 때 매우 유리하다. 약 600-690 (적색광)의 범위의 파장 및/또는 약 400-490 (청색광)의 범위의 파장의 광으로 식물을 조명하는 경우 광합성에 유리하다. 식물을 조명하기 위해 LED를 사용하면 하루가 길어지고 성장기가 길어질 수 있다. 황색 빛은 광합성에 더 적은 영향을 미치지만, LED 중 적어도 하나는 인간이 구조물에 쾌적하게 있기 위해 황색 및/또는 백색광을 방출할 수 있다. 원하는 파장을 최대화하기 위해, 구조물의 내부의 적어도 일부에 형광 코팅이 제공될 수 있다.
주위 온도가 25 ℃를 초과하면, LED의 수명이 실질적으로 단축된다. LED가 노출되는 온도가 낮을수록 수명이 길어진다. 따라서, 구조물 내의 공기 온도가 이러한 조건에 적용될 수 있기 때문에 상기 장치 및 방법은 매우 유리하다. 또한, 본 명세서에 언급된 바와 같이, 공기의 온도를 25 ℃ 미만으로 유지하는 것이 재배에 유리하다.
LED의 양은 구조물의 큰 부분이 얼마나 투명 하느냐에 따라 달라질 수 있다. 구조가 불투명해질수록 더 많은 LED가 필요하다.
태양 전지는 광기전력 전지(PV)일 수 있다. 태양 전지는 태양 전지와 태양 전지가 부착되는 구조 부품 사이에 공간이 형성되도록 배치될 수 있다. 이러한 공간은 태양 전지를 냉각시키고 태양 전지에 의해 생성된 열을 회수하는데 사용될 수 있다. 태양 전지는 태양 전지와 태양 전지를 냉각시키고 열을 회수하는 데에 사용될 수 있는 구조물 사이에 애틱이 형성되도록 배치될 수 있다. 태양 전지는 사용 중에 열을 발생시킨다. 생성된 열은 지하 열 에너지 저장 장치로 이송될 수 있다.
적어도 하나의 냉각기 유닛은 열을 회수하고 열을 지하 열 에너지 저장 장치로 전달하기 위해 공간/애틱에 설치될 수 있다. 냉각기 유닛은 또한 구조물의 상부에 배치된 태양 전지를 냉각시키도록 배치될 수 있다. 태양 전지를 냉각하는 것은 PV의 전기 효율을 증가시킨다. 냉각기 유닛은 중간 온도 또는 이하 (8-18 ℃)의 물을 냉각수가 공급될 수 있다. 일부 조건에서 냉각은 실외 공기가 응축으로 나타난다. 이러한 물은 빗물과 함께 관개 시스템에 의해 수집되고 사용된다. 과잉 물은 관개 이외의 목적으로 사용될 수 있다. 그 다음, 장치는 예를 들어, 조류, 먼지 및 입자로부터 물을 세척하기 위한 정화 장치를 포함할 수 있다. 가열된 냉각수는 지하 열 에너지 저장 장치로 되돌아 가고, 지역 난방 네트워크 (4), 저온 시스템 (9) 또는 온수 시스템 (9b)을 통해 열로 방출될 수 있다.
태양 전지는 지붕 위에 또는 지붕을 형성하여 구조물의 상부에 배치될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 태양 전지는 선반(rack), 구조물 옆의 지면 또는 구조물로부터 일정 거리에 배치될 수 있다. 대안적으로, 태양 전지는 다른 구조물의 상부에 배치될 수 있다.
태양 전지는 반투명일 수 있다. 일 실시예에서, 태양 전지는 가시광에 대해 투명하지만 다른 파장에 대해서는 불투명하고 전기를 생성하기 위해 다른 파장의 광을 사용한다.
장치 (100)는 구조물에 가열기-냉각기 유닛 (150) 및 가열기-냉각기 유닛에 연결된 지하 열 에너지 저장 장치 (200)를 포함한다. 가열기-냉각기 유닛 (150)은 구조물 (120) 내의 공기로부터 지하 열 에너지 저장 장치로 열을 운반함으로써 구조물 내의 공기를 냉각시키도록 배치된다. 이는 물과 같은 냉각 액체를 지하 열 에너지 저장 장치로 회수하도록 할 수 있다. 냉각 액체는 약 8 ℃의 온도를 가질 수 있다. 다른 온도도 가능하다는 점에 유의해야한다. 냉각 액체는 구조물 내에서 순환된 다음, 공기에 의해 간접적으로 가열된다. 가열된 냉각 액체는 지하 열 에너지 저장 장치로 다시 이송된다. 가열된 냉각 액체는 예를 들어 약 18 ℃의 온도를 가질 수 있다. 그러나 다른 온도도 가능하다는 점에 유의해야한다.
일 실시예에서, 냉각 액체는 구조물 내의 공기에 의해 가열된 후 구조물의 애틱으로 이송된다. 애틱에서, 냉각 액체는 예를 들어 태양 전지에서의 열 및/또는 태양 전지 및/또는 창을 통해 투과된 태양 열에 의해 추가로 가열된다.
상기 적어도 하나의 가열기-냉각기 유닛은 지하 열 에너지 저장 장치로부터 구조물로 열을 운반함으로써 구조물 내의 공기를 가열하도록 배치될 수 있다. 과잉 열은 장치에서 운반될 수 있다. 선택적으로 과잉 열은 다른 가정에 판매될 수 있다.
적어도 하나의 가열기-냉각기 유닛은 구조물로부터 지하 열 에너지 저장 장치로 열을 운반함으로써 구조물 내의 공기를 냉각시키도록 배치될 수 있다.
냉각기 유닛은 구조물로부터 열을 지하 열 에너지 저장 장치로 전달함으로써 구조물 내의 공기를 냉각시키도록 배치될 수 있다.
냉각기 유닛과 적어도 하나의 가열기-냉각기 유닛은 유사할 수 있지만 상이한 목적으로 사용된다. 냉각기 유닛은 냉각 배터리를 포함할 수 있고, 적어도 하나의 가열기-냉각기는 가열 배터리 및/또는 냉각 배터리일 수 있다. 냉각기 유닛 및 적어도 하나의 가열기-냉각기 유닛은 액체를 순환시키기 위한 복수의 파이프를 포함할 수 있다. 파이프는 플랜지로 둘러싸일 수 있다. 냉각기 유닛 및/또는 적어도 하나의 가열기-냉각기 유닛에서 순환되는 액체의 온도가 주변 공기의 온도와 다른 경우, 응축수가 형성될 수 있고, 수집기에 의해 수용될 수 있다. 수집기는 관개 시스템에 연결될 수 있다.
구조물 내의 공기를 냉각 및/또는 가열하도록 배치된 적어도 하나의 가열기- 냉각기 유닛은 구조물 내의 공기와 열을 교환하도록 배치된 적어도 하나의 가열기-냉각기 유닛을 포함할 수 있다.
구조물 내의 공기를 냉각시키도록 배치된 냉각기 유닛은 구조물 내의 공기와 열을 교환하도록 배치된 냉각기 유닛을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 장치는 배관 시스템을 포함하며, 상기 배관 시스템은 유체를 순환시키도록 배치되며, 상기 유체는 냉각 유체 및/또는 가열 유체일 수 있다. 상기 배관 시스템은 상기 구조물 내에 배치될 수 있고, 상기 구조물 내의 공기와 열 및/또는 냉기를 교환하도록 배치될 수 있다. 상기 배관 시스템은 지하 열에너지 저장 장치, 적어도 하나의 가열기-냉각기 유닛, 애틱에 배치된 냉각기 유닛, 외부 냉각기 유닛 및/또는 관개 시스템에 연결될 수 있다. 상기 배관 시스템은 복수의 파이프를 포함할 수 있다. 배관 시스템은 순환 시스템으로 나타낼 수 있다.
냉각 유체는 냉각되어야 할 매질의 온도보다 낮은 온도의 액체로 정의될 수 있다. 가열 액체는 가열되어야 할 매질의 온도보다 높은 온도의 액체로 정의될 수 있다. 냉각 및/또는 가열 액체는 지하 열 에너지 저장 장치로부터 회수되도록 배치된다. 냉각 및/또는 가열에 사용된 후, 냉각 및/또는 가열 액체는 지하 열 에너지 저장 장치로 복귀되도록 배치된다. 액체 및 유체는 본 명세서에서 상호 교환적으로 사용될 수 있다.
청구항에서, "포함하는(comprising)"이라는 단어는 다른 요소 또는 단계를 제외하지 않으며, 부정사 "a"또는 "an"은 복수를 제외하지 않는다. 단일 프로세서 또는 다른 유닛은 청구항에 언급된 여러 항목의 기능을 수행할 수 있다. 특정 측정 값이 서로 다른 종속항에 인용되어 있다는 단순한 사실만으로 이러한 측정값의 조합을 활용할 수 없다는 것을 의미하지는 않는다. 청구항에서 임의의 참조 부호는 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
하기에서, 넘버링된 예시적인 배치 및 방법이 제공된다. 넘버링된 예시적인 구성 및 방법은 첨부된 청구항에 의해 규정되는 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다.
1. 구조물의 실내 기후를 조절하기 위한 예시적인 장치는 재배를 위한 영역을 포함하고, 상기 장치는
상기 구조물, 재배를 위한 영역을 조명하기 위해 배치된 복수의 LED, 상기 구조물에 연결되게 배치되고 상기 복수의 LED에 전력을 공급하도록 배치된 복수의 태양 전지,
상기 구조물에 배치된 가열-냉각 시스템 및 상기 가열-냉각 시스템에 연결된 지하 열 에너지 저장 장치를 포함하고,
상기 가열-냉각 시스템은 상기 구조물에서의 공기로부터 상기 지하 열 에너지 저장 장치로 열을 전달함으로써 상기 구조물 내의 공기를 냉각하도록 배치 및/또는
상기 가열-냉각 시스템은 상기 지하 열 에너지 저장 장치에서의 열을 상기 구조물로 전달함으로써 상기 구조물 내의 공기를 가열하도록 배치된다.
2. 제1항에 따른 예시적인 장치는,
수직 온도 구배 및 내부 결합된 가열 및 냉각 장치를 갖는 지하 열 에너지 저장 장치를 포함하고,
상기 내부 결합된 가열 및 냉각 장치는 상기 에너지 저장 장치로부터 제1 온도를 갖는 유체를 회수하도록 적용되고, 높은 제2 온도를 갖는 가열된 유체 및 낮은 제3 온도를 갖는 냉각된 유체를 복귀하도록 적용되며,
상기 복수의 태양 전지는 내부 결합된 가열 및 냉각 장치에 전력을 공급하도록 배치된다.
1. 구조물의 실내 기후를 조절하는 방법은 재배를 위한 영역을 포함하고, 상기 방법은
재배를 위한 영역을 조명하는 복수의 LED,
복수의 LED에 전력을 공급하는 복수의 태양전지,
상기 구조물 내의 공기로부터 지하 열 에너지 저장 장치로 열을 전달함으로써 상기 구조물 내의 공기를 냉각하는 가열-냉각 시스템, 및/또는
상기 지하 열 에너지 저장 장치에서의 열을 상기 구조물로 전달함으로써 상기 구조물 내의 공기를 가열하는 가열-냉각 시스템을 포함한다.

Claims (24)

  1. 구조물의 실내 기후를 조절하기 위한 가열-냉각 시스템을 포함하고,
    상기 가열-냉각 시스템은 상기 구조물 내의 공기에서의 열을 지하 열 에너지 저장 장치로 전달함으로써 상기 구조물 내의 공기를 냉각하도록 배치되고,
    상기 가열-냉각 시스템은 상기 지하 열 에너지 저장 장치에서의 열을 상기 구조물로 전달함으로써 상기 구조물 내의 공기를 가열하도록 배치되는,
    재배 영역을 포함하고 상기 지하 열 에너지 저장 장치와 연결되는 재배 구조물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지하 열 에너지 저장 장치는 수직 온도 구배를 갖고,
    상기 가열-냉각 시스템은 상기 지하 열 에너지 저장 장치에서 제1 수직 레벨에서의 유체를 회수하도록 배치되고, 열 및/또는 냉기가 상기 구조물 내의 유체 및 공기 사이에서 교환되도록 상기 구조물 내의 유체를 순환시키도록 배치되며, 상기 지하 열 에너지 저장 장치에서의 제2 수직 레벨로 상기 유체를 복귀하도록 배치되는, 재배 구조물.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    재배 영역을 조명하도록 배치되는 복수의 광원 및 상기 구조물과 연결되고 상기 복수의 광원에 전력을 공급하도록 배치되는 복수의 태양전지를 더 포함하는, 재배 구조물.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열-냉각 시스템은 실내 기후를 조절하고, 상기 재배 구조물 내의 습도, 온도, 빛 및 이산화탄소 중 적어도 하나를 조절하기 위해 배치되는 제어시스템을 포함하는, 재배 구조물.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 온도, 습도, 빛 및 이산화탄소 중 적어도 하나를 측정하기 위해 배치된 복수의 측정 유닛을 포함하는, 재배 구조물.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지하 열 에너지 저장 장치는 수직 온도 구배 및 내부 결합된 가열 및 냉각 장치를 가지며,
    상기 내부 결합된 가열 및 냉각 장치는 상기 에너지 저장 장치로부터 제1 온도를 갖는 유체를 회수하기 위해 적용되고, 높은 제2 온도를 갖는 가열된 유체 및 낮은 제3 온도를 갖는 냉각된 유체를 복귀하도록 적용되며,
    상기 복수의 태양 전지는 상기 내부 결합된 가열 및 냉각 장치에 전력을 공급하기 위해 배치된, 재배 구조물.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 태양 전지는 적어도 부분적으로 태양광에 반투명한, 재배 구조물.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 태양 전지는 상기 구조물의 상부, 측면 및 이들 모두에서 적어도 하나에 배치되는, 재배 구조물.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구조물은 적어도 부분적으로 불투명한, 재배 구조물.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구조물의 지붕은 투명 및 돔-형상 중 적어도 하나인, 재배 구조물.
  11. 상기 구조물은 건물, 건물의 일부, 온실, 터널, 터널의 일부, 덮힌 구덩이 및 외계 덮힌 분화구 중 적어도 하나인, 재배 구조물.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구조물은 적어도 하나의 거울, 상기 구조물 내부의 적어도 일부가 반사 코팅 및 상기 구조물 내부의 적어도 일부는 형광 코팅을 갖는 것 중 적어도 하나를 포함하는, 재배 구조물.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구조물은 복수의 기후 구역을 포함하고, 상기 기후 구역은 서로 다른 온도를 갖는, 재배 구조물.
  14. 제13항에 있어서, 상기 기후 구역은 수직 및/또는 수평으로 배치되는, 재배 구조물.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열-냉각 시스템은 상기 구조물의 공기에서의 증기를 물로 변환시킴으로써 상기 구조물의 공기에서 물을 회수하도록 배치된 적어도 하나의 가열기-냉각기 유닛을 포함하는, 재배 구조물.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열-냉각 시스템은 상기 구조물과 연결되게 배치되는 냉각기 유닛을 포함하고,
    상기 냉각기 유닛은 상기 구조물 외부의 공기로부터 열을 회수하도록 배치되고,
    상기 가열-냉각 시스템은 상기 회수된 열을 상기 지하 열 에너지 저장 장치로 전달하도록 배치되는, 재배 구조물.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    상기 가열-냉각 시스템에 연결되고, 상기 가열 냉각 시스템으로부터 회수된 물을 재배 영역에 전달하도록 배치되는 관개 시스템을 더 포함하는, 재배 구조물.
  18. 제17항에 있어서,
    빗물로부터 물을 회수하도록 배치되는 빗물 수집기를 더 포함하고, 상기 빗물 수집기는 상기 관개 시스템 및/또는 상기 가열-냉각 시스템에 연결되는, 재배 구조물.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서,
    상기 관개 시스템 및/또는 상기 가열-냉각 시스템은 외부 용수 시스템에 연결되고, 회수된 물을 상기 외부 용수 시스템에 제공하도록 배치되는, 재배 구조물.
  20. 제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 서브-영역을 포함하는 재배 영역을 더 포함하고, 상기 서브-영역은 상기 구조물에서 복수의 레벨에 배치되며,
    상기 복수의 서브-영역을 조명하도록 배치된 복수의 광원 및 상기 복수의 서브-영역을 관개하도록 배치된 관개 시스템 중 적어도 하나를 포함하는, 재배 구조물.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재배 영역에 연결되는 수경 재배(aquaculture)를 더 포함하는, 재배 구조물.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    하이드로컬쳐(hydroculture) 시스템을 포함하는 재배 영역을 더 포함하는, 재배 구조물.
  23. 구조물 내의 공기에서의 열을 지하 열 에너지 저장 장치로 전달함으로써 상기 구조물 내의 공기를 냉각하는 가열-냉각 시스템 및/또는
    상기 가열-냉각 시스템은 상기 지하 열 에너지 저장 장치에서의 열을 상기 구조물로 전달함으로써 상기 구조물 내의 공기를 가열하는 것을 포함하는, 재배 영역을 포함하는 재배 구조물을 작동시키는 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 지하 열 에너지 저장 장치에서의 제1 수직 레벨로부터 유체를 회수하는 단계,
    상기 구조물 내의 유체 및 공기 사이에서 열 및/또는 냉기가 교환되도록 상기 구조물 내의 유체를 순환시키는 단계, 및
    상기 지하 열 에너지 저장 장치에서의 제2 수직 레벨로 상기 유체를 복귀시키는 단계를 포함하는, 방법.
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