KR20220162594A - 태양광을 이용하는 수직형 재배 시설의 조명 시스템 및 조명 제어 방법 - Google Patents

태양광을 이용하는 수직형 재배 시설의 조명 시스템 및 조명 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 작물 재배 시설에서 작물의 태양광 입사량에 기초하여 인공 광원의 출력을 조절하여 모든 작물에 균일한 광량을 공급하는 태양광을 이용하는 수직형 재배 시설의 조명 시스템 및 조명 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명은 복수의 재배 베드들이 소정 간격을 두고 다단으로 적층되는 재배 선반과, 상기 재배 선반에 높이 방향으로 이격되어 설치되는 복수의 광 센서와, 상기 재배 선반을 향해 태양광을 반사하는 반사 플레이트 및 상기 광 센서들이 감지한 반사 태양광의 광량에 기초하여 상기 재배 선반의 적어도 일부의 단(stage)에 구비된 조명의 조도를 결정하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.

Description

태양광을 이용하는 수직형 재배 시설의 조명 시스템 및 조명 제어 방법{LIGHTING SYSTEM FOR VERTICAL TYPE FARMING FACILITY USING SUNLIGHT AND LIGHT CONTROL METHOD THEREFOR}
본 발명은 태양광을 이용하는 수직형 재배 시설의 조명 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 작물 재배 시설 내에 배치된 작물의 태양광 입사량에 기초하여 인공 광원의 출력을 조절하여 균일한 광량을 공급하고, 또한 태양광의 반사각을 조절하여 태양광의 입사량이 부족한 영역을 최소화하고 태양광의 입사량이 부족한 구역만 인공 광원을 공급함으로써 전기 에너지를 효율적으로 사용할 수 있는 수직형 재배 시설의 조명 시스템 및 조명 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 식물은 광(光)을 통해 에너지를 공급받으며 광합성과 호흡 작용을 통해 생장한다. 일장(length of day)과 광합성 유효광량자속(photosynthetic photon flux, PPF)에 따라 영양생장과 생식 생장이 영향을 받으며, 파장에 따라 생장이 달라진다. 식물은 가시광선 영역을 포함한 380~760 nm 영역에서 광합성이 이루어지며 광합성이 일어나는 파장 범위의 복사에너지를 광합성유효복사(photosynthetically active radiation, PAR)라고 한다. 식물은 저마다 광 대역(wavelength)과 광합성유효광량자속(photosynthetic photon flux, PPF)이 다르다. 그러므로 온실이나 식물공장은 태양광을 직접 활용하지 못하는 경우가 많기 때문에 작물생육에 필요한 광을 확보하는 것이 매우 중요하다.
한편, 각종 식물을 재배하는 방식으로는 일반 경작지에서 재배하는 방식과 재배용 베드에 파종 또는 식재하여 재배하는 방식이 있으며, 특히, 재배용 베드에 파종하는 방식은, 계절에 관계없이 채소 등의 빠른 성장 재를 도모하기 위해 비닐 하우스나, 천정 또는 재배 설비 전체가 유리로 이루어진 온실 등을 제작하여 그 내부에 다층의 선반을 설치하고, 상기 선반 위에 식물이 파종 또는 식재되는 재배용 베드를 적재하도록 구성된다.
이와 같이, 유리 온실의 내부에 다수의 재배용 베드를 적층하여 작물을 재배하는 경우에는, 좁은 공간을 효율적으로 활용하여 짧은 시간에 다량의 채소 등을 생산해 낼 수 있는 장점이 있으나, 상부에 위치하는 베드에 태양광이 가림으로써 하부에 위치하는 베드에 식재된 작물에는 충분한 태양광이 조사되지 못해 고른 생장이 어려운 문제점이 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해서 적층된 재배용 베드 각각에 별도의 전기 조명장치를 구비하고 재배용 베드에 인공 광원을 조사하여 작물의 발육 생장을 유도하거나, 별도로 설치된 이송장치를 이용하여 태양광이 직접 조사되는 상부로 순차적으로 순환 이동시켜 재배용 베드에 식재된 작물에 태양광이 조사되도록 한다.
그러나 조명장치 없이도 태양광이 직접 조사되는 재배용 베드와 다른 재배용 베드에 의해 태양광이 가려진 재배용 베드를 구분하지 않고 모든 조명장치를 통해 지속적으로 인공 광원을 공급하게 되면 과다한 전기 사용량으로 인해 높은 비용이 발생하는 문제점이 있다. 또한, 이송 장치를 설치할 경우 설치 및 유지보수에 과다한 비용이 소비되는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2015-0113457호(공개일 2015.10.08)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 태양광을 이용하는 수직형 재배 시설에서 각 층별 작물에 공급되는 태양광의 광량에 기초하여 각 층의 재배 베드의 인공 광원의 출력을 조절함으로써 모든 층의 작물에 균일한 광량을 공급할 수 있는 조명 시스템 및 조명 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 태양광의 반사각을 조절하여 태양광의 입사량이 부족한 영역을 최소화하고 태양광의 입사량이 부족한 구역만 인공 광원을 공급함으로써 전기 에너지를 효율적으로 사용할 수 있는 조명 시스템 및 조명 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 측면에 따른 태양광을 이용하는 수직형 재배 시설의 조명 시스템은 복수의 재배 베드들이 소정 간격을 두고 다단으로 적층되는 재배 선반과, 상기 재배 선반에 높이 방향으로 이격되어 설치되는 복수의 광 센서와, 상기 재배 선반을 향해 태양광을 반사하는 반사 플레이트 및 상기 광 센서들이 감지한 반사 태양광의 광량에 기초하여 상기 재배 선반의 적어도 일부의 단(stage)에 구비된 조명의 조도를 결정하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.
상기 재배 시설의 투광면에 설치되는 광 변환 필름을 더 포함할 수 있다.
상기 반사 플레이트는, 태양광을 산란 반사(diffuse reflect)하기 위한 곡면 형상을 가질 수 있다.
상기 반사 플레이트는, 각도 조절을 위한 전동 회동 유닛에 연결되고, 상기 컨트롤러는, 시간에 따른 태양의 위치, 상기 광 센서의 측정값 중 적어도 하나에 기초하여 상기 전동 회동 유닛의 회동각을 제어할 수 있다.
상기 재배 선반의 길이 방향 크기에 대응하여 복수의 반사 플레이트가 길이 방향으로 연속 배치되며, 상기 컨트롤러는, 태양의 위치에 기초하여 상기 재배 선반의 길이 방향으로 균일한 반사 태양광이 조사되도록 상기 반사 플레이트들의 각도를 개별 제어할 수 있다.
상기 조명은, 하나의 단에 대하여 개별 제어되는 복수의 조명 라인을 포함하고, 상기 컨트롤러는, 상기 광 센서들이 감지한 반사 태양광의 광량에 기초하되 바깥 측의 조명 라인과 안 측의 조명 라인의 조도를 서로 다르게 결정할 수 있다.
상기 컨트롤러는, 상기 복수의 광 센서가 감지한 값들 중 최고치가 미리 설정된 기저 광량(base intensity of radiation)보다 낮은 경우, 상기 조명 시스템을 풀 조명 모드(full lightening mode)로 전환할 수 있다.
상기 재배 선반을 직접 입사된 태양광(직접 태양광)과 반사된 태양광(반사 태양광)에 동시에 노출되는 제1구역, 직접 태양광 및 반사 태양광 중 어느 하나에 노출되는 제2구역, 직접 태양광 및 반사 태양광에 노출되지 않는 제3구역으로 구분할 때, 상기 컨트롤러는, 상기 제1구역, 상기 제2구역 및 상기 제3구역에 대하여 서로 다른 조도를 결정하되 구역별로는 동일 조도를 적용할 수 있다.
본 발명의 제2 측면에 따른 복수의 재배 베드들이 소정 간격을 두고 다단으로 적층되는 재배 선반과, 상기 재배 선반에 높이 방향으로 이격되어 설치되는 복수의 광 센서와, 상기 재배 선반을 향해 태양광을 반사하는 반사 플레이트를 포함하는 태양광을 이용하는 수직형 재배 시설의 조명 제어 방법에 있어서, 컨트롤러가 상기 광 센서들이 감지한 반사 태양광의 광량을 수신하는 단계 및 상기 컨트롤러가 상기 수신된 반사 태양광의 광량에 기초하여 재배 선반의 적어도 일부의 단(stage)에 구비된 조명의 출력 세기를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 조명의 출력 세기를 조절하는 단계의 상기 컨트롤러는, 상기 복수의 광 센서가 감지한 값들 중 최고치가 미리 설정된 기저 광량(base intensity of radiation)보다 낮은 경우, 상기 조명 시스템을 풀 조명 모드(full lightening mode)로 설정할 수 있다.
상기 반사 플레이트는 각도 조절을 위한 전동 회동 유닛에 연결되고, 상기 컨트롤러가 시간에 따른 태양의 위치, 상기 광 센서의 측정값 중 적어도 하나에 기초하여 상기 전동 회동 유닛의 회동각을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 재배 선반의 길이 방향 크기에 대응하여 복수의 반사 플레이트가 길이 방향으로 연속 배치되고, 상기 전동 회동 유닛의 회동각을 제어하는 단계의 상기 컨트롤러는 태양의 위치에 기초하여 상기 재배 선반의 길이 방향으로 균일한 반사 태양광이 조사되도록 상기 반사 플레이트들의 각도를 개별 제어할 수 있다.
상기 조명은 하나의 단에 대하여 개별 제어되는 복수의 조명 라인을 포함하고, 상기 조명의 출력 세기를 조절하는 단계의 상기 컨트롤러는, 상기 광 센서들이 감지한 반사 태양광의 광량에 기초하되 바깥 측의 조명 라인과 안 측의 조명 라인의 조도를 서로 다르게 결정할 수 있다.
상기 재배 선반을 직접 입사된 태양광(직접 태양광)과 반사된 태양광(반사 태양광)에 동시에 노출되는 제1구역, 직접 태양광 및 반사 태양광 중 어느 하나에 노출되는 제2구역, 직접 태양광 및 반사 태양광에 노출되지 않는 제3구역으로 구분할 때, 조명의 출력 세기를 조절하는 단계의 상기 컨트롤러는, 상기 제1구역, 상기 제2구역 및 상기 제3구역에 대하여 서로 다른 조도를 결정하되 구역별로는 동일 조도를 갖도록 조절할 수 있다.
본 발명에 의하면, 작물 재배 시설에서 작물의 태양광 입사량에 기초하여 인공 광원의 출력을 조절하여 모든 작물에 균일한 광량을 공급할 수 있다.
본 발명에 의하면, 태양광의 반사각을 조절하여 태양광의 입사량이 부족한 영역을 최소화하고, 입사량이 부족한 구역만 인공 광원을 공급함으로써 전기 에너지를 효율적으로 사용할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 제1 실시예에 따른 조명 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1에 예시된 반사 플레이트의 변형된 실시예를 나타낸 도면이다.
도 3은 재배 베드에 구비된 조명의 제어를 설명하는 도면이다.
도 4는 재배 시설의 투광면에 구비된 광 변환 필름을 나타낸 도면이다.
도 5는 광 변환 필름의 구간 비율을 나타낸 도면이다.
도 6은 제2 실시예에 따른 조명 시스템의 개략도이다.
도 7은 제2 실시예에 따른 조명 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 8은 도 6에 예시된 반사 플레이트의 변형된 실시예를 나타낸 도면이다.
도 9는 제3 실시예에 따른 조명 시스템의 개략도이다.
도 10은 제3 실시예에 따른 조명 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 11은 제4 실시예에 따른 조명 시스템을 측면에서 바라본 개략도이다.
도 12는 제4 실시예에 따른 조명 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 13은 제1 실시예 내지 제4 실시예의 조명 시스템을 이용한 조명 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환(conversion), 균등물(equivalents) 내지 대체물(substituent)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 명세서에서 기재한 모듈(MODULE)이란 용어는 특정한 기능이나 동작을 처리하는 하나의 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합을 의미할 수 있다.
또한 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하 설명하는 본 발명의 실시예들은 태양광이 입사되는 광량에 기초하여 재배 선반에 구비된 조명의 조도를 결정함으로써 작물의 성장에 필요한 광량 및 광 파장을 모든 작물에 균일하게 제공하는 기술에 관한 것이다.
이하의 실시예에서 '반사 태양광'이라 함은 반사 플레이트에 의해 반사된 태양광을 의미하고, '직접 태양광'이라 함은 반사 플레이트를 거치지 않고 태양으로부터 직접 조사되는 태양광을 의미한다.
[제1 실시예]
제1 실시예는 각도가 고정된 반사 플레이트를 이용하여 수직형 재배 시설의 작물에 대한 태양광의 입사 면적을 넓히되, 재배 선반의 층별로 차별되는 입사량을 고려하여 개별 재배 베드의 조도를 결정하는 기술에 관한 것이다.
도 1은 제1 실시예에 따른 태양광을 이용하는 수직형 재배 시설(1)의 조명 시스템을 예시한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 제1 실시예의 조명 시스템은 재배 선반(110), 광 센서(120), 조명(130), 반사 플레이트(140) 및 컨트롤러(150)를 포함한다.
재배 선반(110)는 재배 시설(1) 내에서 일정 간격으로 두고 여러 개가 나란히 배치될 수 있다. 재배 선반(110)는 복수의 재배 베드(111)들이 소정 간격을 두고 다단으로 적층된다.
재배 베드(111)는 작물들이 식재되는 공간이다. 재배 베드(111)의 내부에는 소정 간격을 두고 복수의 작물들이 식재된다. 재배 베드(111) 또는 재배 선반(110) 별로 다른 성장 단계를 가지는 작물이 식재될 수 있으며, 모든 재배 베드(111) 또는 모든 재배 선반(110)에 동일한 성장 단계를 가지는 작물이 식재될 수도 있다. 또한 재배 선반(110) 별, 재배 베드(111) 별로 동일한 종의 작물이 식재될 수도 있고 서로 다른 종의 작물이 식재될 수 있다.
광 센서(120)는 재배 베드(111)로 입사되는 태양광의 광량을 감지한다.
광 센서(120)는 반사 플레이트(140)에 의해 반사 태양광이 입사되는 재배 선반(110)에 재배 선반(110)의 높이 방향으로 이격되게 복수 개 설치될 수 있다. 예를 들면, 재배 선반(110)가 총 9층으로 이루어진 경우 광 센서(120)는 1층, 3층, 5층, 7층, 9층에 설치될 수 있다.
광 센서(120)는 모든 재배 베드(111)의 내부에 설치되거나, 복수의 재배 베드(111)들 중 미리 지정된 재배 베드(111)(들)에만 설치될 수도 있다. 뿐만 아니라 광 센서(120)는 재배 선반(110)의 미리 지정된 높이에 1개만 설치될 수도 있다.
재배 선반(110)의 적어도 일부의 단(stage)에는 적어도 하나의 조명(130)이 구비된다. 여기서 단(stage)은 다른 말로 층(floor)이라고 표현되며 각 층에는 재배 베드(111)가 구비된다.
조명(130)은 재배 베드(111)의 내부에 적어도 하나 이상 구비될 수 있다. 재배 베드(111)의 내부라 함은 재배 베드의 천정 또는 모서리 부위의 엣지 프레임(도면에 미도시)을 가리킬 수 있다. 조명(130)은 재배 선반(110)의 모든 층에 구비되지 않을 수도 있지만 설명의 편의를 위해 모든 재배 베드(111)에 구비된 사례를 설명한다.
조명(130)은 LED, 할로겐등, 형광등, 백열등 중 어느 하나로 구현되며 작물에 인공의 광을 제공한다. 조명(130)은 사각의 재배 베드(111)에 식재된 작물들에 고른 인공 광을 제공하기 위해 복수의 광원들이 일렬로 배치된 바(bar) 형태의 서브 조명이 하나의 재배 베드(111)에 복수 개 구비될 수 있다. 도 1은 하나의 재배 베드(111)에 3개 열(columns)의 서브 조명이 구비된 경우를 도시한다.
LED로 구현된 조명(130)의 예에서, 조명(130)은 식물의 생장에 필수적인 파장을 선택적으로 공급하기 위해 각각 다른 파장을 발광하는 LED 모듈을 포함할 수 있다. 이때, LED 모듈들의 파장은 광합성에 유리하도록 400nm ~ 455nm 파장의 청색 LED와 640nm ~ 725nm 파장의 적색 LED가 미리 설정된 비율로 혼합되어 구성될 수 있다.
반사 플레이트(140)는 재배 시설(1) 내부로 입사되는 태양광을 재배 선반(110)를 향해 반사한다.
반사 플레이트(140)는 재배 시설(1)의 내부에서 재배 시설(1)의 투광면(즉, 태양광이 직접 닿는 지붕 또는 측면의 일부 창문) 인근에 설치될 수 있다. 투광면은 태양광이 투광될 수 있는 창문의 형태로 형성될 수 있으며, 투광면에는 태양광의 파장을 변환시켜 출력하는 파장 변환 필름(161)이 더 부착될 수 있다.
다른 관점에서 볼 때, 반사 플레이트(140)는 재배 선반(110)의 측면부에서 소정 간격으로 이격되어 설치되거나 또는 재배 선반(110)의 상부에 소정 간격으로 이격되어 설치될 수 있다. 반사 플레이트(140)는 태양광이 재배 선반(110)로 반사되는 위치라면 어디에 설치되어도 무방하다.
반사 플레이트(140)는 태양광을 산란 반사(diffuse reflect)하기 위해 곡면의 형상을 가질 수 있다. 예를 들면 반사 플레이트(140)는 미리 설정된 곡률을 가지는 볼록한 형상의 반사면을 형성할 수 있다. 또한 반사 플레이트(140)의 반사면에는 반사물질이 도포된 리플렉터(reflector)가 형성될 수 있다.
컨트롤러(150)는 적어도 하나의 광 센서(120)들이 감지한 반사 태양광의 광량에 기초하여 재배 선반(110)의 적어도 일부의 단(stage) 또는 재배 베드(111) 내부에 구비된 조명(130)의 조도를 결정한다.
예를 들면, 재배 선반(110)의 재배 베드(111)들은 높이에 따라서 계절별 시간에 따른 태양의 위치에 따라 반사 플레이트(140)에서 반사되는 태양광의 입사량이 다르고, 일부 재배 베드(111)에는 반사 플레이트(140)가 있더라도 반사 태양광의 입사량이 없거나 극히 적을 수 있다. 이 때, 컨트롤러(150)는 광 센서(120)에서 감지된 측정 값에 기초하여, 태양광이 적게 입사되거나 없는 경우 재배 베드(111)에 구비된 조명(130)의 조도를 밝게 하여 작물의 성장에 필요한 광량을 제공한다.
또한, 컨트롤러(150)는 높이 별 재배 베드(111)에 구비된 복수의 조명(130)의 조도를 각 층 마다(즉, 각 단(stage) 마다) 다르게 출력할 수 있다. 컨트롤러(150)는 광 센서(120)의 감지 값에 기초하여 반사 태양광의 입사량이 많은 재배 베드(111)의 조도는 반사 태양광의 입사량이 적은 재배 베드(111)의 조도보다 약하게 설정함으로써, 조명(130)에 의한 전기 사용량을 효율적으로 운용할 수 있다.
컨트롤러(150)는 복수의 광 센서(120)가 감지한 값들 중 최고치가 미리 설정된 기저 광량(base intensity of radiation)보다 낮은 경우, 조명 시스템을 풀 조명 모드(full lightening mode)로 전환한다. 예컨대, 미리 설정된 기저 광량은 작물이 성장하는데 필요한 최소한의 광량을 의미한다. 풀 조명 모드(full lightening mode)는 해가 지거나, 구름과 같이 외부 환경 요인에 의해 태양광의 입사되지 않은 경우에 기동된다.(trigger)
도 2는 도 1에 예시된 반사 플레이트의 변형된 실시예를 도시한다.
도 2를 참조하면, 조명 시스템의 반사 플레이트(140a~140c)는 적어도 두 개 이상 구비된다. 복수의 반사 플레이트(140a~140c)들은 재배 선반(110)의 높이 방향 크기에 대응하여 재배 선반(110)의 높이 방향으로 미리 정해진 간격으로 간헐적으로 배치되며, 각각 서로 다른 반사각을 갖는다.
일 예로, 태양이 동일한 위치에 있을 경우, 가장 상단에 구비된 반사 플레이트(140a)는 재배 선반(110)의 상부를 향해 태양광을 반사시키는 각도로 설치되고, 그 아래에 배치된 반사 플레이트(140b, 140c) 일수록 재배 선반(110)의 하단을 향해 태양광을 반사시키는 각도로 설치될 수 있다. 즉, 복수의 반사 플레이트(140a~140c)는 각각 다른 각도로 설치되어 반사 태양광이 모든 재배 선반(110)의 영역에 최대한 균일하게 반사되도록 한다. 이와 같은 복수의 반사 플레이트(140a~140c)가 구비됨에도 불구하고, 반사 태양광이 미치지 않아 입사량이 기준 값보다 적은 재배 베드(111)에는 컨트롤러(150)의 제어에 의해 조명(130)이 점등(On)된다.
다른 일 예로, 가장 상단에 구비된 반사 플레이트(140a)는 태양이 낮은 위치에 있을 때 반사 태양광이 재배 선반(110)를 향하는 각도로 설정되고, 그 아래의 하단에 구비된 반사 플레이트(140b, 140c)일수록 태양이 높은 위치에 있을 때 반사 태양광이 재배 선반(110)를 향하는 각도로 설정될 수 있다.
참고로, 복수의 반사 플레이트(140a~140c)를 최초 설치할 때, 재배 베드(111)의 각 층에 광 센서(120)들을 설치하고, 광 센서(120)들의 광량에 따라 반사 플레이트(140a~140c) 각각의 각도를 인위적으로 설정한 뒤, 그 이후부터는 태양이 동일한 동선으로 이동하기 때문에 태양의 광량을 대표하여 측정하는 한 개의 광 센서만 남겨두고 나머지 광 센서는 철거해도 좋다. 한 개의 광 센서를 유지시키는 이유는 우천이나 흐린 날과 같이 외부의 환경 요인에 의해 태양광이 입사되지 않는 예외적인 경우를 감지하기 위해서이다.
도 3은 재배 베드(111)에 구비된 조명(130)의 제어를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 재배 선반(110)의 하나의 단 즉, 하나의 층의 재배 베드(111)에는 복수의 조명(130-1, 130-2, 130-3)이 연속 배치된다. 복수의 조명(130-1, 130-2, 130-3) 각각은 개별 제어되는 조명 라인(131)에 연결된다.
컨트롤러(150)는 광 센서(120)들이 감지한 반사 태양광의 광량에 기초하되, 재배 베드(111)의 바깥 측의 조명과 안 측의 조명의 조도를 서로 다르게 결정한다. 여기서 재배 베드(111)의 바깥 측이라 함은 재배 시설(1)의 외부를 향하는 측(즉, 도면상 좌측)이고, 재배 베드(111)의 안 측이라 함은 재배 시설(1)의 내부를 향하는 측(즉, 도면상 우측)이다. 재배 베드(111)의 안 측은 반사 플레이트(140)에 의한 반사 태양광이 입사되는 면이다.
컨트롤러(150)는 재배 베드(111)의 바깥 측 조명1(130-1)의 조도를 재배 베드(111) 안 측 조명2(130-2)의 조도보다 강하게 설정한다. 또한 컨트롤러(150)는 재배 베드(111)의 안 측 조명2(130-2)의 조도를 다른(other) 안 측 조명3(130-3)의 조도보다 좀 더 강하게 설정한다.
동일한 층에 배치된 재배 베드(111)가라 하더라도 재배 베드(111)의 높이에 따라 입사되는 반사 태양광의 광량이 다를 수 있다. 예를 들면, 반사 플레이트(140)가 재배 베드(111)의 수평 연장선에 가까울수록 반사 태양광은 위층의 재배 베드(111)의 간섭이 적어 재배 베드(111)의 바깥 측까지 입사된다.
위층의 재배 베드(111)에 가려 반사 태양광이 적게 입사되는 재배 베드(111)의 바깥 측 조명1(130-1)은 조도를 강하게 설정함으로써 재배 베드(111)의 모든 작물에 균일한 광량을 제공한다.
광 센서(120)는 재배 베드(111)의 안 측에 한 개 구비될 수 있지만, 재배 베드(111)의 바깥 측에도 광 센서(120)가 구비될 경우 조명(130)의 조도를 보다 미세하게 조절하는 것이 가능하다.
도 4는 재배 시설(1)의 투광면에 구비되는 가변 파장의 광 변환 필름(161)의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 재배 시설(1)의 투광면(즉, 지붕 또는 측면에 형성된 창문)에는 광 변환 필름(161) 및 구동 롤러(162)를 포함하여 이루어진 광 변환 장치(160)가 더 설치될 수 있다.
광 변환 필름(161)은 파장변환층(161-1) 및 복사냉각층(161-2) 중 적어도 하나를 포함한다. 파장변환층(161-1)은 입사된 태양광을 작물의 종류나, 생장 주기 별로 요구되는 최적의 파장으로 변환시켜 출력한다.
파장변환층(161-1)은 길이 방향으로 복수의 영역이 구획되며, 각 영역별로 서로 다른 파장 천이(shift)의 특성을 가진다. 파장의 천이를 위해 퀀텀닷(quantum dot), 페로브스카이트(perovskite), 형광체(posphore), 셀로판(cellophane) 중 하나의 파장 변환 물질이 사용될 수 있다.
구체적인 예로, 도 4에서 보듯 파장변환층(161-1)은 적색을 발하는 양자점이 포함된 제1 영역(a1), 태양광이 그대로 출력되도록 하는 제2 영역(a2), 태양광을 모두 차단하는 제3 영역(715), 청색을 발하는 양자점이 포함된 제4 영역(a4), 녹색을 발하는 양자점이 포함된 제5 영역(a5)을 포함할 수 있다.
복사냉각층(161-2)은 작물에 필요한 일부 대역의 적외선 외에 열에만 관여하는 기타 대역의 적외선 파장을 반사함으로써 재배 시설(1) 내로 불필요한 열이 투과하는 것을 억제한다.
복사냉각층(161-2)의 상부면 또는 하부면에 파장변환층(161-1)이 적층될 수도 있고, 복사냉각층(161-2) 상에 파장변환물질이 영역별로 도포될 수도 있다.
또한 파장변환층(161-1)과 복사냉각층(161-2)이 소정의 간격을 두고 별도로 운용될 수도 있다. 즉, 적어도 하나의 구동 롤러(162)에 의해 파장변환층(161-1)과 복사냉각층(161-2)이 별도로 움직이거나, 복사냉각층(161-2)은 고정된 채 파장변환층(161-1)만 움직일 수 있다.
복사냉각층(161-2)은 적외선의 반사를 위해 PDMS, SiO2, Ag 중 적어도 하나의 조성물을 포함할 수 있다. 다만 이들 조성물에 한정할 필요는 없으며 특정 적외선 대역을 반사하는 효과를 가지는 조성물이라면 모두 적용 가능하다.
변형된 실시예로, 복사냉각층(161-2)은 적외선 대역의 파장을 반사시키는 구간(b1)과 적외선 대역의 파장을 투과시키는 구간(b2)을 함께 포함할 수 있다.
광 변환 필름(161)은 적외선 대역의 파장을 반사시키는 구간(b1)과 적외선 대역의 파장을 투과시키는 구간(b2)이 형성된 비율에 따라 복사 냉각의 정도를 다르게 설정할 수 있다.
도 5는 복사 냉각의 설정을 상황 별로 다르게 설정하기 위한 광 변환 필름(161)의 구간 비율의 예시들을 나타낸 도면이다.
도 5의 (a)를 참조하면, 광 변환 필름(161)의 복사냉각층(161-2) 중 적외선 대역의 파장을 반사시키는 구간(b1)이 적외선 대역의 파장을 투과시키는 구간(b2)보다 비율이 적을 경우 복사 열이 적어 재배 시설(1)의 내부 온도를 점점 증가시킬 수 있다.
도 5의 (b)를 참조하면, 광 변환 필름(161)의 복사냉각층(161-2) 중 적외선 대역의 파장을 반사시키는 구간(b1)이 적외선 대역의 파장을 투과시키는 구간(b2)의 비율이 비슷할 경우, 재배 시설(1)의 현재 내부 온도를 유지시킬 수 있다.
도 5의 (c)를 참조하면 광 변환 필름(161)의 복사냉각층(161-2) 중 적외선 대역의 파장을 반사시키는 구간(b1)이 적외선 대역의 파장을 투과시키는 구간(b2)보다 비율이 높을 경우 복사 열이 많아져 재배 시설(1)의 내부 온도를 점점 냉각시킬 수 있다.
컨트롤러(150)는 필요에 따라 복사냉각층(161-2)의 구간을 도 5의 (a), 도 5의 (b), 도 5의 (c) 중의 어느 하나로 전환되도록 구동 롤러(162)를 제어함으로써 재배 시설(1)의 내부 온도를 조절할 수 있다. 예를 들면, 겨울에는 광 변환 필름(161)에서 적외선 투과 구간(b2)의 비율을 증가시켜 실내 온도를 높임으로써 난방비를 절약하고, 여름에는 광 변환 필름(161)에서 적외선 투과 구간(b2)의 비율을 감소시켜 실내 온도를 냉각시킴으로써 냉방비를 절약할 수 있다.
컨트롤러(150)는 광 변환 필름(161)이 롤링된 구동 롤러(162)의 회전을 제어함으로써 광 변환 필름(161)을 한 쪽으로 감기거나 풀어지도록 한다. 그럼으로써 파장변환층(161-1)의 광 조사 영역 및 복사냉각층(161-2)의 구간(b1, b2)의 비율을 다르게 설정할 수 있다.
[제2 실시예]
제2 실시예는 시간에 따른 태양광의 위치 변화 및 광 센서의 측정 값에 따라 반사 플레이트의 각도를 조절하는 한편 그에 따라 재배 선반의 층별 조명들을 연동 제어함으로써 재배 선반에 최적의 광 에너지를 공급하는 기술에 관한 것이다.
도 6은 제2 실시예에 따른 조명 시스템을 나타낸 개략도이고, 도 7은 제2 실시예에 따른 조명 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.
제2 실시예의 조명 시스템은 재배 선반(210), 광 센서(220), 조명(230), 반사 플레이트(240), 컨트롤러(250) 및 광 변환 장치(260)를 포함하여 이루어진다. 여기서 재배 선반(210), 광 센서(220), 조명(230), 반사 플레이트(240) 및 광 변환 장치(260)는 제1 실시예의 재배 선반(110), 광 센서(120), 조명(130), 반사 플레이트(140) 및 광 변환 장치(160)와 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 제2 실시예의 반사 플레이트(240)는 전동 회전 유닛(241)을 더 포함한다.
전동 회동 유닛(241)은 반사 플레이트(240)에 연결되고, 반사 플레이트(240)는 전동 회동 유닛(241)에 의해 각도가 조절되어 태양광의 반사각을 변경한다. 전동 회전 유닛(241)은 전동 힌지(미도시) 또는 유압 프레스(미도시)와 같은 형태로 구현될 수 있다. 전동 회전 유닛(241)의 형태는 반사 플레이트(240)의 각도를 조절할 수 있으면 어느 것으로 구현되어도 무방하다.
일 예로, 컨트롤러(250)는 시간에 따른 태양의 위치에 따라 반사 태양광이 재배 선반(210)를 향하도록 전동 회동 유닛(241)을 제어함으로써 반사 플레이트(240)의 각도를 조절한다. 예를 들면, 컨트롤러(250)는 오전에 반사 플레이트(240)의 각도를 30°로 설정하고, 정오에 60°로 설정하며, 오후에 75 °로 설정할 수 있다.
참고로, 반사 플레이트(240)의 각도를 최초 설정할 때, 재배 베드(211)의 각 층에 광 센서(220)를 설치하고, 광 센서(220)의 광량에 따라 반사 플레이트(240) 각각의 각도를 조절한 뒤, 그 이후부터는 태양이 동일한 동선으로 이동하기 때문에 한 개의 광 센서(220)만 남겨 두고 나머지 광 센서는 철거해도 무방하다. 한 개의 광 센서(220)를 유지시키는 이유는 우천과 같이 외부의 환경 요인에 의해 태양광이 예외적으로 매우 적게 입사되는 경우를 감지하기 위해서이다.
다만, 설명의 편의를 위해 이하에서는 재배 베드(211)의 각 층마다 광 센서(220)가 구비된 경우를 예로 들어 설명한다.
컨트롤러(250)는 시간에 경과에 의한 태양의 위치 변화에 따라 반사 플레이트(240)의 각도를 조절하는 한편, 미리 설정된 주기로 재배 베드(211)에 구비된 광 센서(220)들로부터 감지된 값을 지속적으로 수신한다. 그리고 컨트롤러(250)는 광 센서(220)들의 감지 값에 기초하여 감지 값이 낮은 재배 베드(211)에 구비된 조명(230)의 출력이 감지 값이 높은 재배 베드(211)에 구비된 조명(230)보다 강해지도록 각 조명(230)들을 제어함으로써 모든 재배 베드(211)에 최대한 균일한 광량이 공급되게 한다. 만약, 특정 재배 베드(211)에 반사 태양광이 충분히 입사되어 광 센서(220)의 감지 값이 기준치를 넘어서면 해당 재배 베드(211)의 조명(230)은 점멸(Off)시킨다.
다른 일 예로, 컨트롤러(250)는 재배 베드(211) 각각에 구비된 광 센서(220)로부터 광량 감지 값을 수신하고, 반사 태양광이 광량의 감지 값이 적은 재배 선반(210)를 향하도록 전동 회동 유닛(241)을 제어함으로써 반사 플레이트(240)의 각도를 조절한다. 그리고 컨트롤러(250)는 반사 플레이트(240)의 각도가 조절된 상태에서도 반사 태양광이 모든 재배 베드(211)에 입사되지 않으면, 광 센서(220)의 감지 값에 기초하여 감지 값이 낮은 재배 베드(211)에 구비된 조명(230)을 출력량을 조절한다.
예컨대, 컨트롤러(250)가 광 센서(220)의 감지 값에 기초하여 복수의 재배 베드(211)에 구비된 조명(230)의 출력량을 조절하는 데에도 불구하고 반사 태양광이 광량의 감지 값이 적은 재배 선반(210)를 향하도록 반사 플레이트(240)의 각도를 조절하는 이유는, 특정 재배 베드(211)에 반사 태양광이 극히 적게 입사되어 해당 조명(230)이 최대로 출력되는 것을 방지하여 조명(230)의 수명이 단축되는 것을 방지하기 위한 것이다.
도 8은 도 6에 예시된 반사 플레이트의 변형된 실시예를 도시한다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 조명 시스템의 반사 플레이트(240a~240c)는 적어도 두 개 이상 구비된다. 반사 플레이트(240a~240c)는 재배 선반(210)의 높이 방향의 크기에 대응하여 재배 선반(210)의 높이 방향으로 연속 배치된다.
복수의 반사 플레이트(240a~240c)는 컨트롤러(250)의 제어에 의해 각각 다른 반사각을 갖도록 설정된다.
일 예로, 컨트롤러(250)는 시간에 따른 태양의 위치에 기초하여 가장 상단에 구비된 반사 플레이트(240a)의 각도를 재배 선반(210)의 상단을 향해 태양광을 반사시키는 각도로 설정하고, 하단에 배치된 반사 플레이트(240b, 240c) 일수록 재배 선반(110)의 하단을 향해 태양광을 반사시키는 각도로 설정할 수 있다.
즉, 컨트롤러(250)는 복수의 반사 플레이트(240a~240c) 각각의 각도를 개별 제어하여 반사 태양광이 모든 재배 선반(210)의 영역에 균일하게 반사되도록 한다. 그리고 반사 플레이트(240a~240c)가 구비됨에도 불구하고, 반사 태양광의 입사량이 적은 재배 베드(211)에는 컨트롤러(250)의 제어에 의해 조명(230)이 출력된다.
컨트롤러(250)는 제1 실시예와 마찬가지로 광 센서(220)들이 감지한 반사 태양광의 광량에 기초하되, 재배 베드(211)의 바깥 측의 조명(230)과 안 측의 조명(230)의 조도를 서로 다르게 결정할 수 있다.
[제3 실시예]
제3 실시예는 재배 선반을 직접 태양광과 반사 태양광을 함께 받는 구역, 직접 태양광 및 반사 태양광 중 어느 하나만을 받는 구역, 직접 태양광 및 반사 태양광 중 어느 하나도 받지 못하는 구역의 3가지로 구분하고, 구역별로 조명의 조도를 일괄 제어하는 기술에 관한 것이다.
도 9는 제3 실시예에 따른 조명 시스템을 나타낸 개략도이고, 도 10은 제3 실시예에 따른 조명 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.
제3 실시예의 조명 시스템은 재배 선반(310), 광 센서(320), 조명(330), 반사 플레이트(340), 컨트롤러(350) 및 광 변환 장치(360)를 포함하여 이루어진다. 여기서 재배 선반(310), 광 센서(320), 조명(330), 반사 플레이트(340) 및 광 변환 장치(360)는 제1 실시예 또는 제2 실시예의 재배 선반(110, 210), 광 센서(120, 220), 조명(130, 230), 반사 플레이트(140, 240) 및 광 변환 장치(160, 260)와 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 제3 실시예의 컨트롤러(350)는 재배 선반(310)를 직접 입사된 태양광(직접 태양광)과 반사된 태양광(반사 태양광)에 동시에 노출되는 제1 구역(R1), 직접 태양광 및 반사 태양광 중 어느 하나에 노출되는 제2 구역(R2), 직접 태양광 및 반사 태양광에 노출되지 않는 제3 구역(R3)으로 구분한다.
그리고 컨트롤러(350)는 제1 구역(R1) 내지 제3 구역(R3)에 대하여 서로 다른 조도를 가지도록 조명(330)의 출력량을 결정하되 각 구역별로는 동일 조도를 가지도록 조명(330)의 출력량을 일괄 조절한다.
예를 들면, 제1 구역(R1)은 직접 태양광 및 반사 태양광이 모두 입사되기 때문에 작물에 입사되는 광량이 가장 많고, 제2 구역(R2)은 직접 태양광 및 반사 태양광 중 어느 하나의 광량만 입사되어 제1 구역(R1)보다 작물에 입사되는 광량이 적을 것이고, 제3 구역(R3)은 구역 중 작물에 입사되는 광량이 가장 적을 것이다.
컨트롤러(350)는 제3 구역(R3)의 재배 베드(311)에 구비된 조명(330)의 출력을 가장 강하게 출력하고, 제1 구역(R1)에 구비된 재배 베드(311)에 구비된 조명(330)의 출력을 가장 약하게 또는 출력하지 않음으로써 재배 선반(310) 전체의 조도를 균일하게 유지시킨다.
또한, 컨트롤러(350)는 제1 실시예 및 제2 실시예처럼 광 센서(320)들이 감지한 반사 태양광의 광량에 기초하되, 재배 베드(311)의 바깥 측의 조명(330)과 안 측의 조명(330)의 조도를 서로 다르게 결정하여 작물에 균일한 광량이 조사되도록 한다.
컨트롤러(350)는 제1 구역(R1) 내지 제3 구역(R3)의 조명(330)의 출력량을 구역별로 제어하고, 재배 베드(311)의 바깥 측의 조명(330)과 안 측의 조명(330)의 조도를 서로 다르게 제어함으로써 재배 선반(310) 모든 영역에 균일한 광량을 공급한다.
이하 컨트롤러(350)가 제1 구역(R1) 내지 제3 구역(R3)을 구분하는 방식을 설명한다.
광 센서(320)는 재배 선반(310)의 바깥 측에 구비되는 제1 센서(321)와 재배 선반(310)의 안 측에 구비되는 제2 센서(322)를 포함한다. 다시 말해 제1 센서(321)는 재배 베드(311) 각각의 바깥 측에 구비되고, 제2 센서(322)는 재배 베드(311) 각각의 안 측에 구비된다고도 표현할 수 있다. 여기서 재배 베드(311)의 바깥 측이라 함은 재배 시설(3)의 외부를 향하는 측(즉, 도면상 좌측)이고, 재배 베드(311)의 안 측이라 함은 재배 시설(3)의 내부를 향하는 측(즉, 도면상 우측)이다. 재배 베드(311)의 안 측은 반사 플레이트(340)에 의한 반사 태양광이 입사되는 면이다.
컨트롤러(350)는 제1 센서(321) 및 제2 센서(322) 모두에서 광 센서(320)의 감지 값이 기준치 이상으로 감지되면 제1 구역(R1)으로 구분하고, 제1 센서(321) 및 제2 센서(322) 중 어느 하나의 센서에서 감지 값이 기준치 이상으로 감지되면 제2 구역(R2)으로 구분하며, 제1 센서(321) 및 제2 센서(322) 모두에서 감지 값이 측정되지 않으면 제3 구역(R3)으로 구분한다.
컨트롤러(350)는 제1 센서(321) 및 제2 센서(322)의 감지 값에 따라 구분된 제1 구역(R1) 내지 제3 구역(R3)에 기초하여 전동 회전 유닛(341)을 제어함으로써 반사 플레이트(340)의 각도를 조절한다.
예컨대, 컨트롤러(350)는 반사 태양광이 제2 구역(R2)에 조사되는 상태에서 제3 구역(R3)에도 반사 태양광이 조사되도록 반사 플레이트(340)의 각도를 조절한다. 즉, 컨트롤러(350)은 반사 태양광이 제2 구역(R2)에 조사되는 반사 태양광의 광량을 유지시킨 상태에서 제3 구역(R3)에도 반사 태양광이 조사되도록 반사 플레이트(340)의 각도를 조절한다.
컨트롤러(350)가 반사 태양광이 제2 구역(R2)에 조사되는 상태에서 제3 구역(R3)에도 조사되도록 반사 플레이트(340)의 각도를 조절하는 이유는 제2 구역(R2)의 반사 태양광의 광량을 유지시키지 않은 상태에서 반사 태양광이 제3 구역(R3)을 향하도록 반사 플레이트(340)의 각도를 조절하면, 과도한 반사 플레이트(340)의 각도 조절에 의해 기존 제2 구역(R2)에 반사 태양광이 입사되지 않아 기존 제2 구역(R2)이 제3 구역(R3)으로 변경될 여지가 발생하기 때문이다.
따라서, 컨트롤러(350)는 직접 태양광 및 반사 태양광이 모두 입사되는 제1 구역(R1)을 제외하고, 입사량이 가장 적은 제3 구역(R3)으로 반사 태양광이 입사되도록 반사 플레이트(340)의 각도를 조절함으로써 반사 플레이트(340)의 사용 각도 범위를 효율적으로 사용할 수 있다.
[제4 실시예]
제4 실시예는 재배 베드(411) 길이 방향 크기에 대응하여 복수의 반사 플레이트(440-1 내지 440-5)가 길이 방향으로 연속 배치된 경우, 복수의 반사 플레이트(440-1 내지 440-5)의 각도를 개별 제어하는 기술에 관한 것이다.
도 11은 제4 실시예의 조명 시스템을 측면에서 바라본 도면이고, 도 12는 제4 실시예에 따른 조명 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.
제4 실시예의 조명 시스템은 재배 선반(410), 광 센서(420), 조명(430), 반사 플레이트(440), 컨트롤러(450) 및 광 변환 장치(미도시)를 포함하여 이루어진다. 여기서 재배 선반(410), 광 센서(420), 조명(430) 및 광 변환 장치(미도시)는 제1 실시예 내지 제3 실시예의 재배 선반(110, 210, 310), 광 센서(120, 220, 320), 조명(130, 230, 330) 및 광 변환 장치(160, 260, 360)와 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.
도 11을 참조하면, 제4 실시예는 재배 선반(410)의 길이 방향 크기에 대응하여 복수의 반사 플레이트(440-1 내지 440-5)가 길이 방향으로 연속 배치된다. 여기서 재배 선반의 길이 방향이라 함은 도 9를 재배 시설(4)의 정면에서 바라본 경우라 할 때 측면에서 바라본 재배 선반의 가로 방향을 의미한다.
실시예 4에서, 적어도 하나의 반사 플레이트(440-1 내지 440-5 중 적어도 하나)는 적어도 하나의 전동 회전 유닛(441-1 내지 441-5)에 연동된다. 각 전동 회전 유닛에 연동된 반사 플레이트(들)을 단위 반사 플레이트라고 칭할 때, 각 단위 반사 플레이트는 재배 선반의 길이 방향에 평행한 중심축(L)을 기준으로 회전한다.
컨트롤러(450)는 전동 회동 유닛(441-1 내지 441-5)을 이용하여 단위 반사 플레이트의 각도를 독립적으로 결정하거나 조절한다. 예컨대, 컨트롤러(450)는 태양의 위치에 기초하여 재배 선반(410)의 길이 방향으로 균일하게 반사 태양광이 조사되도록 반사 플레이트(440-1 내지 440-5)들의 각도를 개별 제어한다.
컨트롤러(450)에 의한 반사 플레이트(440-1 내지 440-5)의 각도 제어를 도 11의 우측 상부에 표시된 반사 플레이트(440)의 정면도를 참고하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
즉, 일 예로, 태양(S1, S2)의 위치에 따라 단위 반사 플레이트인 제1 반사 플레이트(440-1) 내지 제5 반사 플레이트(440-5)의 각도는 컨트롤러(450)에 의해 각각 서로 다르게 설정될 수 있다.
오전 시간의 태양(S1)의 위치의 경우 제1 반사 플레이트(440-1)에서 제5 반사 플레이트(440-5)를 향할수록 중심축(L)을 기준으로 회전 각도가 점차적으로 작아질 수 있으며, 반대로 오후 시간의 태양(S2)의 위치의 경우 제1 반사 플레이트(440-1)에서 제5 반사 플레이트(440-5)를 향할수록 중심축(L)을 기준으로 회전 각도가 점차적으로 커질 수 있다.
즉, 컨트롤러는 태양의 위치에 기초하여 반사 플레이트(440-1 내지 440-5)를 개별 제어하여 재배 선반의 재배 베드(411) 전 영역에 균일한 반사 태양광이 조사되도록 한다.
[제5 실시예]
제5 실시예는 제1 실시예 내지 제4 실시예의 조명 시스템에서 조명을 제어하는 방법에 관한 것이다.
도 13은 태양광을 이용하는 수직형 재배 시설의 조명 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
참고로, 제5 실시예의 재배 시설은 재배 선반, 재배 베드, 광 센서, 반사 플레이트, 광 변환 장치로 이루어질 수 있다. 여기서, 재배 선반, 재배 베드, 광 센서, 반사 플레이트, 파장 변환 필름은 제1 실시예 내지 제3 실시예의 재배 선반, 재배 베드, 광 센서, 반사 플레이트, 광 변환 장치와 동일하므로 중복되는 설명을 생략한다.
도 13을 참조하면 본 발명의 방법은 태양광의 광량을 수신하는 단계(S110) 및 조명의 출력 세기를 조절하는 단계(S120)를 포함한다. 그리고 전동 회동 유닛의 회동각을 제어하는 단계(S130)를 더 포함할 수 있다.
태양광의 광량을 수신하는 단계(S110)는 컨트롤러가 광 센서들이 감지한 반사 태양광의 광량을 수신한다.
광 센서는 재배 베드으로 입사되는 태양광의 광량을 감지한다.
광 센서는 반사 플레이트에 의해 반사 태양광이 입사되는 재배 선반에 재배 선반에 높이 방향으로 이격되게 복수 개 설치될 수 있다. 예를 들면, 재배 선반(110)가 총 9층으로 이루어진 경우 광 센서는 1층, 3층, 5층, 7층, 9층에 설치될 수 있다.
광 센서는 모든 재배 베드의 내부에 설치되거나, 복수의 재배 베드들 중 미리 지정된 재배 베드(들)에만 설치될 수도 있다. 뿐만 아니라 광 센서는 재배 선반(110)의 미리 지정된 높이에 1개만 설치될 수도 있다.
태양광의 광량을 수신하는 단계(S110)에서 컨트롤러가 광 센서들로부터 반사 태양광의 광량을 수신 받으면 조명의 출력 세기를 조절하는 단계(S120)가 수행된다.
조명의 출력 세기를 조절하는 단계(S120)는 컨트롤러가 적어도 하나의 광 센서들이 감지한 반사 태양광의 광량에 기초하여 재배 선반의 적어도 일부의 단(stage) 또는 재배 베드 내부에 구비된 조명의 조도를 결정한다.
예를 들면, 재배 선반의 재배 베드들은 높이에 따라서 계절별 시간에 따른 태양의 위치에 따라 반사 플레이트에서 반사되는 태양광의 입사량이 다르고, 일부 재배 베드에는 반사 플레이트가 있더라도 반사 태양광의 입사량이 없거나 극히 적을 수 있다. 이 때, 컨트롤러는 광 센서에서 감지된 측정 값에 기초하여, 태양광이 적게 입사되거나 없는 경우 재배 베드에 구비된 조명의 조도를 밝게 하여 작물의 성장에 필요한 광량을 제공한다.
또한, 컨트롤러는 높이 별 재배 베드에 구비된 복수의 조명의 조도를 각 층 마다(즉, 각 단(stage) 마다) 다르게 출력할 수 있다. 컨트롤러는 광 센서의 감지 값에 기초하여 반사 태양광의 입사량이 많은 재배 베드의 조도는 반사 태양광의 입사량이 적은 재배 베드의 조도보다 약하게 설정함으로써, 조명에 의한 전기 사용량을 효율적으로 운용할 수 있다.
컨트롤러는 복수의 광 센서가 감지한 값들 중 최고치가 미리 설정된 기저 광량(base intensity of radiation)보다 낮은 경우, 조명 시스템을 풀 조명 모드(full lightening mode)로 전환한다. 예컨대, 미리 설정된 기저 광량은 작물이 성장하는데 필요한 최소한의 광량을 의미한다. 풀 조명 모드(full lightening mode)는 해가 지거나, 구름과 같이 외부 환경 요인에 의해 태양광의 입사되지 않은 경우에 기동된다.(trigger)
재배 선반의 하나의 단 즉, 하나의 층의 재배 베드에는 복수의 조명이 연속 배치되고, 복수의 조명 각각은 개별 제어되는 조명 라인에 연결된 경우, 컨트롤러는 광 센서들이 감지한 반사 태양광의 광량에 기초하되, 재배 베드의 바깥 측의 조명과 안 측의 조명의 조도를 서로 다르게 결정한다. 여기서 재배 베드의 바깥 측이라 함은 재배 시설의 외부를 향하는 측(즉, 도면상 좌측)이고, 재배 베드의 안 측이라 함은 재배 시설의 내부를 향하는 측(즉, 도면상 우측)이다. 재배 베드의 안 측은 반사 플레이트에 의한 반사 태양광이 입사되는 면이다(도 3 참조).
컨트롤러는 재배 베드의 바깥 측 조명1의 조도를 재배 베드 안 측 조명2)의 조도보다 강하게 설정한다. 또한 컨트롤러는 재배 베드의 안 측 조명2의 조도를 다른(other) 안 측 조명3의 조도보다 좀 더 강하게 설정한다.
동일한 층에 배치된 재배 베드가라 하더라도 재배 베드의 높이에 따라 입사되는 반사 태양광의 광량이 다를 수 있다. 예를 들면, 반사 플레이트가 재배 베드의 수평 연장선에 가까울수록 반사 태양광은 위층의 재배 베드의 간섭이 적어 재배 베드의 바깥 측까지 입사된다.
위층의 재배 베드에 가려 반사 태양광이 적게 입사되는 재배 베드의 바깥 측 조명1은 조도를 강하게 설정함으로써 재배 베드의 모든 작물에 균일한 광량을 제공한다.
광 센서는 재배 베드의 안 측에 한 개 구비될 수 있지만, 재배 베드의 외측에도 광 센서가 구비될 경우 조명의 조도를 보다 미세하게 조절하는 것이 가능하다.
전동 회동 유닛의 회동각을 제어하는 단계(S130)는 컨트롤러가 시간에 따른 태양의 위치, 광 센서의 측정값 중 적어도 하나에 기초하여 전동 회동 유닛의 회동각을 제어함으로써 반사 플레이트의 각도를 조절한다.
일 예로, 컨트롤러는 시간에 따른 태양의 위치에 따라 반사 태양광이 재배 선반을 향하도록 전동 회동 유닛을 제어함으로써 반사 플레이트의 각도를 조절한다. 예를 들면, 컨트롤러는 오전에 반사 플레이트의 각도를 30°로 설정하고, 정오에 60°로 설정하며, 오후에 75 °로 설정할 수 있다.
컨트롤러는 시간에 경과에 의한 태양의 위치 변화에 따라 반사 플레이트의 각도를 조절하는 한편, 미리 설정된 주기로 재배 베드에 구비된 광 센서들로부터 감지된 값을 지속적으로 수신한다. 그리고 컨트롤러는 광 센서들의 감지 값에 기초하여 감지 값이 낮은 재배 베드에 구비된 조명의 출력이 감지 값이 높은 재배 베드에 구비된 조명보다 강해지도록 각 조명들을 제어함으로써 모든 재배 베드에 최대한 균일한 광량이 공급되게 한다. 만약, 특정 재배 베드에 반사 태양광이 충분히 입사되어 광 센서의 감지 값이 기준치를 넘어서면 해당 재배 베드의 조명은 점멸(Of)시킨다.
다른 일 예로, 컨트롤러는 재배 베드 각각에 구비된 광 센서로부터 광량 감지 값을 수신하고, 반사 태양광이 광량의 감지 값이 적은 재배 선반 향하도록 전동 회동 유닛을 제어함으로써 반사 플레이트의 각도를 조절한다. 그리고 컨트롤러는 반사 플레이트의 각도가 조절된 상태에서도 반사 태양광이 모든 재배 베드에 입사되지 않으면, 광 센서의 감지 값에 기초하여 감지 값이 낮은 재배 베드에 구비된 조명을 출력량을 조절한다.
예컨대, 컨트롤러가 광 센서의 감지 값에 기초하여 복수의 재배 베드에 구비된 조명의 출력량을 조절하는 데에도 불구하고 반사 태양광이 광량의 감지 값이 적은 재배 선반을 향하도록 반사 플레이트의 각도를 조절하는 이유는, 특정 재배 베드에 반사 태양광이 극히 적게 입사되어 해당 조명이 최대로 출력되는 것을 방지하여 조명의 수명이 단축되는 것을 방지하기 위한 것이다.
재배 선반의 높이 방향의 크기에 대응하여 복수의 반사 플레이트가 연속 배치된 경우(도 8 참조), 컨트롤러는 복수의 반사 플레이트 각각이 다른 반사각을 갖도록 설정한다.
일 예로, 컨트롤러는 시간에 따른 태양의 위치에 기초하여 가장 상단에 구비된 반사 플레이트의 각도를 재배 선반의 상단을 향해 태양광을 반사시키는 각도로 설정하고, 하단에 배치된 반사 플레이트 일수록 재배 선반의 하단을 향해 태양광을 반사시키는 각도로 설정할 수 있다.
즉, 컨트롤러는 복수의 반사 플레이트 각각의 각도를 개별 제어하여 반사 태양광이 모든 재배 선반의 영역에 균일하게 반사되도록 한다. 그리고 반사 플레이트가 구비됨에도 불구하고, 반사 태양광의 입사량이 적은 재배 베드에는 컨트롤러의 제어에 의해 조명이 출력된다.
한편, 상기 재배 선반을 직접 입사된 태양광(직접 태양광)과 반사된 태양광(반사 태양광)에 동시에 노출되는 제1구역, 직접 태양광 및 반사 태양광 중 어느 하나에 노출되는 제2구역, 직접 태양광 및 반사 태양광에 노출되지 않는 제3구역으로 구분할 경우, 조명의 출력 세기를 조절하는 단계(S120)의 컨트롤러는, 제1구역, 제2구역 및 3구역에 대하여 서로 다른 조도를 결정하되 각 구역별로는 동일 조도를 가지도록 조명의 출력량을 일괄 조절한다.
예를 들면, 제1 구역은 직접 태양광 및 반사 태양광이 모두 입사되기 때문에 작물에 입사되는 광량이 가장 많고, 제2 구역은 직접 태양광 및 반사 태양광 중 어느 하나의 광량만 입사되어 제1 구역보다 작물에 입사되는 광량이 적을 것이고, 제3 구역은 구역 중 작물에 입사되는 광량이 가장 적을 것이다.
컨트롤러는 제3 구역의 재배 베드에 구비된 조명의 출력을 가장 강하게 출력하고, 제1 구역에 구비된 재배 베드에 구비된 조명의 출력을 가장 약하게 또는 출력하지 않음으로써 재배 선반 전체의 조도를 균일하게 유지시킨다.
또한, 컨트롤러는 제1 실시예 및 제2 실시예처럼 광 센서들이 감지한 반사 태양광의 광량에 기초하되, 재배 베드의 바깥 측의 조명과 안 측의 조명의 조도를 서로 다르게 결정하여 작물에 균일한 광량이 조사되도록 한다.
컨트롤러는 제1 구역 내지 제3 구역의 조명의 출력량을 구역별로 제어하고, 재배 베드의 바깥 측의 조명과 안 측의 조명의 조도를 서로 다르게 제어함으로써 재배 선반 모든 영역에 균일한 광량을 공급한다.
컨트롤러가 제1 구역 내지 제3 구역을 구분하는 방식은 제3 실시예에서 전술한 바와 동일하므로 중복된 설명을 생략한다.
컨트롤러는 제1 센서(321) 및 제2 센서(322)의 감지 값에 따라 구분된 제1 구역 내지 제3 구역에 기초하여 전동 회전 유닛을 제어함으로써 반사 플레이트의 각도를 조절한다.
예컨대, 컨트롤러는 반사 태양광이 제2 구역에 조사되는 상태에서 제3 구역에도 반사 태양광이 조사되도록 반사 플레이트의 각도를 조절한다. 즉, 컨트롤러은 반사 태양광이 제2 구역에 조사되는 반사 태양광의 광량을 유지시킨 상태에서 제3 구역에도 반사 태양광이 조사되도록 반사 플레이트의 각도를 조절한다.
컨트롤러가 반사 태양광이 제2 구역에 조사되는 상태에서 제3 구역에도 조사되도록 반사 플레이트의 각도를 조절하는 이유는 제2 구역의 반사 태양광의 광량을 유지시키지 않은 상태에서 반사 태양광이 제3 구역을 향하도록 반사 플레이트의 각도를 조절하면, 과도한 반사 플레이트의 각도 조절에 의해 기존 제2 구역에 반사 태양광이 입사되지 않아 기존 제2 구역이 제3 구역으로 변경될 여지가 발생하기 때문이다.
한편, 실시예 4와 같이, 재배 선반(410)의 재배 베드(411) 길이 방향 크기에 대응하여 복수의 반사 플레이트(440-1 내지 440-5)가 길이 방향으로 연속 배치될 경우, 컨트롤러는 전동 회동 유닛을 통해 단위 반사 플레이트의 각도를 독립적으로 결정하거나 조절한다. 예컨대, 컨트롤러는 태양의 위치에 기초하여 재배 선반의 길이 방향으로 균일하게 반사 태양광이 조사되도록 반사 플레이트들의 각도를 개별 제어한다.
즉, 일 예로 도 11에서 보듯, 태양(S1, S2)의 위치에 따라 단위 반사 플레이트인 제1 반사 플레이트(440-1) 내지 제5 반사 플레이트(440-5)의 각도는 컨트롤러에 의해 각각 서로 다르게 설정될 수 있다.
오전 시간의 태양(S1)의 위치의 경우 제1 반사 플레이트(440-1)에서 제5 반사 플레이트(440-5)를 향할수록 중심축(L)을 기준으로 회전 각도가 점차적으로 작아질 수 있으며, 반대로 오후 시간의 태양(S2)의 위치의 경우 제1 반사 플레이트(440-1)에서 제5 반사 플레이트(440-5)를 향할수록 중심축(L)을 기준으로 회전 각도가 점차적으로 커질 수 있다.
이상에서는 본 발명에 관한 몇 가지 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 재배 시설
110: 재배 선반
111: 재배 베드
120: 광 센서
130: 조명
140: 반사 플레이트
150: 컨트롤러
160: 광 변환 장치

Claims (14)

  1. 복수의 재배 베드들이 소정 간격을 두고 다단으로 적층되는 재배 선반;
    상기 재배 선반에 높이 방향으로 이격되어 설치되는 복수의 광 센서;
    상기 재배 선반을 향해 태양광을 반사하는 반사 플레이트; 및
    상기 광 센서들이 감지한 반사 태양광의 광량에 기초하여 상기 재배 선반의 적어도 일부의 단(stage)에 구비된 조명의 조도를 결정하는 컨트롤러
    를 포함하는 태양광을 이용하는 수직형 재배 시설의 조명 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 재배 시설의 투광면에 설치되는 광 변환 필름을 더 포함하는 태양광을 이용하는 수직형 재배 시설의 조명 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반사 플레이트는, 태양광을 산란 반사(diffuse reflect)하기 위한 곡면 형상을 가지는 태양광을 이용하는 수직형 재배 시설의 조명 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사 플레이트는, 각도 조절을 위한 전동 회동 유닛에 연결되고,
    상기 컨트롤러는, 시간에 따른 태양의 위치, 상기 광 센서의 측정값 중 적어도 하나에 기초하여 상기 전동 회동 유닛의 회동각을 제어하는 태양광을 이용하는 수직형 재배 시설의 조명 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 재배 선반의 길이 방향 크기에 대응하여 복수의 반사 플레이트가 길이 방향으로 연속 배치되며,
    상기 컨트롤러는, 태양의 위치에 기초하여 상기 재배 선반의 길이 방향으로 균일한 반사 태양광이 조사되도록 상기 반사 플레이트들의 각도를 개별 제어하는 태양광을 이용하는 수직형 재배 시설의 조명 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 조명은, 하나의 단에 대하여 개별 제어되는 복수의 조명 라인을 포함하고,
    상기 컨트롤러는, 상기 광 센서들이 감지한 반사 태양광의 광량에 기초하되 바깥 측의 조명 라인과 안 측의 조명 라인의 조도를 서로 다르게 결정하는 태양광을 이용하는 수직형 재배 시설의 조명 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 상기 복수의 광 센서가 감지한 값들 중 최고치가 미리 설정된 기저 광량(base intensity of radiation)보다 낮은 경우, 상기 조명 시스템을 풀 조명 모드(full lightening mode)로 전환하는 태양광을 이용하는 수직형 재배 시설의 조명 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 재배 선반을 직접 입사된 태양광(직접 태양광)과 반사된 태양광(반사 태양광)에 동시에 노출되는 제1구역, 직접 태양광 및 반사 태양광 중 어느 하나에 노출되는 제2구역, 직접 태양광 및 반사 태양광에 노출되지 않는 제3구역으로 구분할 때,
    상기 컨트롤러는, 상기 제1구역, 상기 제2구역 및 상기 제3구역에 대하여 서로 다른 조도를 결정하되 구역별로는 동일 조도를 적용하는 태양광을 이용하는 수직형 재배 시설의 조명 시스템.
  9. 복수의 재배 베드들이 소정 간격을 두고 다단으로 적층되는 재배 선반과, 상기 재배 선반에 높이 방향으로 이격되어 설치되는 복수의 광 센서와, 상기 재배 선반을 향해 태양광을 반사하는 반사 플레이트를 포함하는 태양광을 이용하는 수직형 재배 시설의 조명 제어 방법에 있어서,
    컨트롤러가 상기 광 센서들이 감지한 반사 태양광의 광량을 수신하는 단계; 및
    상기 컨트롤러가 상기 수신된 반사 태양광의 광량에 기초하여 재배 선반의 적어도 일부의 단(stage)에 구비된 조명의 출력 세기를 조절하는 단계
    를 포함하는 태양광을 이용하는 수직형 재배 시설의 조명 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 조명의 출력 세기를 조절하는 단계의 상기 컨트롤러는,
    상기 복수의 광 센서가 감지한 값들 중 최고치가 미리 설정된 기저 광량(base intensity of radiation)보다 낮은 경우, 상기 조명 시스템을 풀 조명 모드(full lightening mode)로 설정하는 태양광을 이용하는 수직형 재배 시설의 조명 제어 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 반사 플레이트는 각도 조절을 위한 전동 회동 유닛에 연결되고,
    상기 컨트롤러가 시간에 따른 태양의 위치, 상기 광 센서의 측정값 중 적어도 하나에 기초하여 상기 전동 회동 유닛의 회동각을 제어하는 단계
    를 더 포함하는 태양광을 이용하는 수직형 재배 시설의 조명 제어 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 재배 선반의 길이 방향 크기에 대응하여 복수의 반사 플레이트가 길이 방향으로 연속 배치되고,
    상기 전동 회동 유닛의 회동각을 제어하는 단계의 상기 컨트롤러는 태양의 위치에 기초하여 상기 재배 선반의 길이 방향으로 균일한 반사 태양광이 조사되도록 상기 반사 플레이트들의 각도를 개별 제어하는 것을 특징으로 하는 태양광을 이용하는 수직형 재배 시설의 조명 제어 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 조명은 하나의 단에 대하여 개별 제어되는 복수의 조명 라인을 포함하고,
    상기 조명의 출력 세기를 조절하는 단계의 상기 컨트롤러는, 상기 광 센서들이 감지한 반사 태양광의 광량에 기초하되 바깥 측의 조명 라인과 안 측의 조명 라인의 조도를 서로 다르게 결정하는 것을 특징으로 하는 태양광을 이용하는 수직형 재배 시설의 조명 제어 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 재배 선반을 직접 입사된 태양광(직접 태양광)과 반사된 태양광(반사 태양광)에 동시에 노출되는 제1구역, 직접 태양광 및 반사 태양광 중 어느 하나에 노출되는 제2구역, 직접 태양광 및 반사 태양광에 노출되지 않는 제3구역으로 구분할 때,
    상기 조명의 출력 세기를 조절하는 단계의 상기 컨트롤러는, 상기 제1구역, 상기 제2구역 및 상기 제3구역에 대하여 서로 다른 조도를 결정하되 구역별로는 동일 조도를 갖도록 조절하는 태양광을 이용하는 수직형 재배 시설의 조명 제어 방법.
KR1020210132778A 2021-06-01 2021-10-07 태양광을 이용하는 수직형 재배 시설의 조명 시스템 및 조명 제어 방법 KR20220162594A (ko)

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