JP6470101B2 - 植物栽培用照明システム及び植物栽培方法 - Google Patents

Description

本発明は、植物栽培用照明システム及び植物栽培方法に関し、特に人工光源を用いた植物栽培用照明システム及び植物栽培方法に関する。

植物の光合成は、特許文献１に示されているように、光のエネルギーを必要とする明反応と光のエネルギーを必要としない暗反応のサイクルに従って行われており、これまでの研究によると、明反応と暗反応のサイクルは約２００〜４００μｓｅｃ周期といわれている（非特許文献１を参照）。そこで、明反応のときにだけ光を当て、暗反応のときには光を当てないように、植物に対する光の照射を上述の周期に合わせて制御することによって電力消費量を大きく節約することが可能となる。例えば光照射のデューティ比を５０％とすれば、連続的に照射する場合に比べて電力消費量は半分にすることができる。

ところで近年、人工的な照明光と養液とを用いて葉物野菜等の植物を建屋内で栽培する植物栽培方法が普及しているが、このような植物栽培方法では、複数の人工光源を用いて栽培領域に光を照射して植物を栽培する。それら複数の光源を上述のように植物の光合成サイクルに合わせた明暗周期で光を照射するように制御する場合、複数の光源がバラバラのサイクルで光を照射すると効率が悪いため、それら複数の光源で同期を取って一斉に光の照射のオンオフを制御する必要がある。植物は明反応期だけ光を吸収することができるので、図７に示すように光の照射のオンオフを同期させるかどうかで光吸収量の差は顕著である。すなわち、図７（ａ）に示すように、ＬＥＤ光源（１）のオンをトリガに植物の明反応が始まるが、ＬＥＤ光源（２）のオンのタイミングはＬＥＤ光源（１）とは異なるため、ＬＥＤ光源（２）による光量はほとんど植物に吸収されない。一方、図７（ｂ）に示すように、ＬＥＤ光源（１）及びＬＥＤ光源（２）のオンオフを同期させれば、植物の明反応タイミングに合わせて効率よく光を照射することができ、植物の光吸収量は増加する。例えば特許文献２の防虫効果を奏する照明栽培方法では、複数の光源を、明暗周期を同期させてパルス点灯することにより、植物の栽培領域に光を照射することが開示されている。

特開昭６４−０２００３４号公報 特開２０１１−２１２０１１号公報

「パルス光が植物の光合成速度に与える影響」、植物工場研究所［ｏｎｌｉｎｅ、平成２７年３月２０日検索］、インターネット＜URL: http://www.sasrc.jp/pulse.htm＞

光源を駆動する電源のスイッチング時には電磁ノイズが発生する。同期を取って複数の光源を点灯させようとすると、それら複数の光源を駆動する複数の電源が一斉に同じ矩形パターンで動作するため、生じる電磁ノイズが重畳されて大きなノイズとなり、周囲の他の電子機器の動作や作業者の人体に影響を与えるおそれがある。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、電磁ノイズの影響を抑えながらも、必要最小限の光量で効率的に植物の照明栽培をすることができる植物栽培用照明システム及び植物栽培方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、第一に本発明は、複数の栽培ブロックから構成される栽培領域に対して、所定時間点灯する明期幅と、所定時間消灯する暗期幅とを一周期とする照明サイクルで光を照射する複数の光源と、前記複数の光源を制御する制御手段と、を備え、前記複数の光源が、光を照射する栽培ブロック毎に複数のグループに区分されており、前記制御手段が、前記複数のグループにおける同一のグループ内では光源の照明サイクルを同期させ、前記複数のグループにおける隣り合う栽培ブロックに光を照射する二つのグループ間では光源の照明サイクルを同期させないように前記複数の光源を制御することを特徴とする植物栽培用照明システムを提供する（発明１）。

上記発明（発明１）によれば、一つ一つの栽培ブロック内では、光源の照明サイクルを同期させることによって効率的に電力消費量を節約しつつ、隣り合う栽培ブロック間では、光源を駆動する電源のスイッチング時に生じる電磁ノイズが重畳されないように光源の照明サイクルを同期させず、照明サイクルの位相をずらすことができるため、周囲の他の電子機器の動作や作業者の人体に対する電磁ノイズの影響を抑えながらも、必要最小限の光量で効率的に植物の照明栽培をすることができる。

上記発明（発明１）においては、前記制御手段が、前記複数の光源をそれぞれ駆動する複数の光源駆動回路と、前記複数の光源駆動回路にパルス信号を送るパルス発生回路とを備えることが好ましい（発明２）。

上記発明（発明２）によれば、パルス発生回路で発生させたパルス信号を複数の光源駆動回路に送り、同じパルス信号にそのまま追従して複数の光源が駆動されるため、複数の光源のオンオフのタイミングがずれることがない。

第二に本発明は、所定時間点灯する明期幅と、所定時間消灯する暗期幅とを一周期とする照明サイクルで光を照射する複数の光源によって、複数の栽培ブロックから構成される栽培領域に光を照射して植物を栽培する植物栽培方法であって、前記複数の光源が、光を照射する栽培ブロック毎に複数のグループに区分されており、前記複数のグループにおける同一のグループ内では光源の照明サイクルを同期させ、前記複数のグループにおける隣り合う栽培ブロックに光を照射する二つのグループ間では光源の照明サイクルを同期させないように前記複数の光源を制御することを特徴とする植物栽培方法を提供する（発明３）。

上記発明（発明３）によれば、一つ一つの栽培ブロック内では、光源の照明サイクルを同期させることによって効率的に電力消費量を節約しつつ、隣り合う栽培ブロック間では、光源を駆動する電源のスイッチング時に生じる電磁ノイズが重畳されないように光源の照明サイクルを同期させず、照明サイクルの位相をずらすことができるため、周囲の他の電子機器の動作や作業者の人体に対する電磁ノイズの影響を抑えながらも、必要最小限の光量で効率的に植物の照明栽培をすることができる。

本発明の植物栽培用照明システム及び植物栽培方法は、電磁ノイズの影響を抑えながらも、必要最小限の光量で効率的に植物の照明栽培をすることができる。

本発明の一実施形態に係る植物栽培用照明システムを採用する植物工場の概要を示す説明図である。 同実施形態に係る植物栽培用照明システムの構成を示す説明図である。 同実施形態に係る植物栽培用照明システムユニットの構成を示す説明図である。 同実施形態に係る制御コントローラの構成を示す説明図である。 同実施形態に係るＬＥＤドライバの構成を示す説明図である。 同実施形態に係る栽培領域を構成する各栽培ブロックにおける光の照射を制御するパルス信号の波形を示す説明図である。 所定の明暗周期で光源から光を照射する際の、植物の明・暗反応サイクルと植物の光吸収量との関係を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本実施形態に係る植物栽培用照明システム９を採用する植物工場１００の概要を示している。植物工場１００には全部で１２の栽培装置２００が設置されており、３つの栽培装置２００を１つの栽培ブロックとし、全部で四つの第１栽培ブロック３０１、第２栽培ブロック３０２、第３栽培ブロック３０３、第４栽培ブロック３０４から構成されている。

各栽培装置２００は、植物が定植される培地である栽培ベッド２１０と、栽培ベッド２１０の上部に設けられ、植物に対して光を照射するＬＥＤ光源２２０とを有しており、ＬＥＤ光源２２０は１つの栽培ベッド２１０に対して並列に２本配設されている。１つの栽培ブロック内において３つの栽培装置２００は、ＬＥＤ光源２２０が並べられている方向と同じ方向に並べて配置されており、その結果、１つの栽培ブロック内においては６つのＬＥＤ光源２２０が平行に並べて配置されていることになる。

栽培ベッド２１０は、例えば定植する植物を根元から挿し込み固定可能な挿し込み孔が複数列配列された発砲スチロール製の植物栽培スペースであり、一般的に植物工場で用いられている公知のものを利用することができる。

ＬＥＤ光源２２０は、例えばＬＥＤアレイ３を内部に収容し、ＬＥＤアレイ３からの光の照射面が栽培ベッド２１０側の一面に設けられた筐体構造を有し、一般的に植物工場で用いられている公知のものを利用することができる。

栽培装置２００は、栽培ベッド２１０やＬＥＤ光源２２０の他に、養液漕や養液循環装置、養液ろ過装置等（不図示）を構成要素とし得るが、これら栽培装置２００の構成要素はいずれも一般的に植物工場で用いられている公知のものを利用することができる。

第１栽培ブロック３０１、第２栽培ブロック３０２、第３栽培ブロック３０３、第４栽培ブロック３０４のそれぞれには、前述の通り３つの栽培装置２００、６つのＬＥＤ光源２２０が平行に並べて配置されている。一方、それら４つの栽培ブロック自体は、栽培装置２００及びＬＥＤ光源２２０の配列方向（図１における上下方向）とは直交する方向（図１における左右方向）に順に並んでいる。

なお、本実施形態においては植物工場１００内に４つの栽培ブロック３０１，３０２，３０３，３０４を設けており、それぞれの栽培ブロック内には、３つの栽培装置２００が配置されているがこれらに限られるものではなく、植物工場の規模や採用する栽培装置２００のサイズ、栽培対象となる植物の種類等によって適宜変更可能である。

続いて植物工場１００において採用される植物栽培用照明システム９について説明する。本実施形態においては、第１栽培ブロック３０１、第２栽培ブロック３０２、第３栽培ブロック３０３及び第４栽培ブロック３０４のそれぞれに対して１つずつ植物栽培用照明システムユニット９１，９２，９３，９４が割り当てられ、植物工場１００全体では、図２に示すように、４つの植物栽培用照明システムユニット９１，９２，９３，９４が１台のコンピュータ４に連結されて植物栽培用照明システム９が構成されている。

植物栽培用照明システムユニット９１，９２，９３，９４の構成は全て同一であるので、代表して植物栽培用照明システムユニット９１の構成を説明する。図３に示すように、植物栽培用照明システムユニット９１は制御コントローラ１と、制御コントローラ１に接続された６つのＬＥＤドライバ２と、６つのＬＥＤドライバ２のそれぞれに接続された６つのＬＥＤアレイ３とから構成されている。６つのＬＥＤアレイ３は前述の各栽培ブロック内に設置された６つのＬＥＤ光源２２０内に収容されるものである。本実施形態では、６つのＬＥＤドライバ２が全て同じ構成を有し、６つのＬＥＤアレイ３も全て同じ構成を有する。

制御コントローラ１は、６つのＬＥＤドライバ２のそれぞれが６つのＬＥＤアレイ３のそれぞれを駆動するために必要なパルス信号を発生させて、ＬＥＤドライバ２に伝送するものであり、図４に示すように、パルス信号を生成するパルス発生回路１１と、パルス信号発生回路１１を制御する制御回路１２とから構成されている。

パルス発生回路１１は、周波数が２．５ＫＨｚのパルス信号Ｓを生成する回路であり、パルス信号Ｓのデューティ比は植物の種類によって３０％〜５０％の範囲の、いずれかの値に固定となっている。生成されたパルス信号Ｓは伝送路を介して６つのＬＥＤドライバ２へと伝送される。本実施形態においては６つに枝分かれする伝送路を介して６つのＬＥＤドライバ２のそれぞれに対してパルス信号Ｓを伝送することになる。なお、パルス発生回路１１としては公知のパルス発生回路を採用することができる。

パルス信号Ｓの周波数は２．５ＫＨｚに限られるものではなく、他の周波数も採用可能である。パルス信号Ｓの周波数としては、植物の明反応と暗反応のサイクルが約２００〜４００μｓｅｃ周期といわれていることからすると、例えば２〜５ＫＨｚの範囲内で設定することが好ましく、この範囲であれば適切にＬＥＤ光源２２０を駆動することができる。

制御回路１２は、コンピュータ４からの指示を受けて、栽培される植物の品種に応じてパルス発生回路１１にどのようなパルス矩形を有するパルス信号を発生させるか、またどのようなタイミングでパルス信号を発生させるかを制御するものである。制御回路１２としてはＣＰＵ等を用いた公知の制御回路を採用することができる。

ＬＥＤドライバ２は、制御コントローラ１から伝送されたパルス信号Ｓに基づいて、ＬＥＤアレイ３を駆動するための電流をＬＥＤアレイ３に対して出力するものであり、図５に示すように、パルス信号ＳをＬＥＤアレイ３へそのままのパルス波形でパルス出力するパルス信号増幅ドライバ２１と、パルス信号増幅ドライバ２１でのパルス信号の高さを調整するレベルコンパレータ２２とから構成されている。ＬＥＤドライバ２のパルス信号増幅ドライバ２１及びレベルコンパレータ２２は、制御コントローラ１から伝送されたパルス信号Ｓに基づいて、ＬＥＤアレイ３を、所定時間点灯する明期幅と、所定時間消灯する暗期幅とを一周期とする照明サイクルで光源が光を照射する間欠照明モードで駆動する。

パルス信号増幅ドライバ２１は、制御コントローラ１から伝送されたパルス信号ＳをＬＥＤアレイ３へそのままのパルス波形でパルス出力する。パルス信号Ｓをそのままのパルス波形でパルス出力すると、ＬＥＤアレイ３をこのパルス波形の周期で点灯・消灯を繰り返すように光を照射する間欠照明モードで駆動することができる。パルス信号Ｓをそのままのパルス波形でパルス出力する場合、パルス波形の高さ（パルス波高）に応じて出力電流が増減することとなる。例えば、パルス波高ｈのパルス波形を有するパルス信号Ｓがパルス信号増幅ドライバ２１に伝送された場合の光量の２倍の光量でＬＥＤアレイ３を間欠照明モードで駆動したい場合、パルス波高が２倍の２ｈとなるようにレベルコンパレータ２２を用いてパルス波形の高さを調節する。

パルス信号増幅ドライバ２１としては、例えば増幅トランジスタを用いた電流増幅回路というような構成を有する回路を採用することが、レベルコンパレータ２２としては、例えばアナログコンパレータを用いたスレッショルド判定回路、あるいはＡＤコンバータというような構成を有する回路を採用することがそれぞれできるが、これに限られるものではなく、制御コントローラ１から伝送されたパルス信号Ｓを、そのままのパルス波形でＬＥＤアレイ３へパルス出力することができるものであればよく、更にパルス信号Ｓのパルス波高の調節が可能なものであればより好ましい。

以上説明したような制御コントローラ１及びＬＥＤドライバ２を採用することにより、パルス発生回路１１にて生成したパルス信号Ｓを、１つの制御コントローラ１から６つのＬＥＤドライバ２へと伝送し、各ＬＥＤドライバ２から６つのＬＥＤアレイ３へと当該パルス信号Ｓをそのままのパルス波形でパルス出力することができるため、６つのＬＥＤアレイ３をこのパルス波形の周期で点灯・消灯を繰り返すように光を照射する間欠照明モードで同期させて駆動することができる。また、パルス発生回路１１で発生させたパルス信号Ｓを６つのＬＥＤドライバ２に送り、同じ１つのパルス信号にそのまま追従して６つのＬＥＤアレイ３が駆動されるため、これら６つの光源のオンオフのタイミングがずれることがない。

ＬＥＤアレイ３は、基板上に複数個のＬＥＤを配列してなる光源であり、複数個のＬＥＤは直列又は並列に接続されている。ＬＥＤの個数や配列方式は植物工場１００の立地や栽培ベッド２１０の広さ、必要とされる光量等によって任意に決定可能である。

コンピュータ４は、植物栽培用照明システムユニット９１，９２，９３，９４のそれぞれの制御コントローラ１に連結されており、４つの栽培ブロック、第１栽培ブロック３０１、第２栽培ブロック３０２、第３栽培ブロック３０３及び第４栽培ブロック３０４のそれぞれにおける植物栽培用照明システムユニット９１，９２，９３，９４による光の照射具合を制御するものである。

具体的には、コンピュータ４が、植物栽培用照明システムユニット９１，９２，９３，９４のそれぞれの制御コントローラ１に対して、パルス発生回路１１にどのようなパルス矩形を有するパルス信号を発生させるか、またどのようなタイミングでパルス信号を発生させるかを指示する。本実施形態では、第１栽培ブロック３０１、第２栽培ブロック３０２、第３栽培ブロック３０３及び第４栽培ブロック３０４のそれぞれにおいて、全てのＬＥＤアレイ３がパルス波形の周期で点灯・消灯を繰り返すように光を照射する間欠照明モードで駆動されるが、コンピュータ４は、植物栽培用照明システムユニット９１，９２，９３，９４のそれぞれの制御コントローラ１に対して、少なくとも隣接する栽培ユニット間では間欠照明モードの明暗周期が同期しないように指示する。

例えば図６（ａ）に示すように、第１栽培ブロック３０１、第２栽培ブロック３０２、第３栽培ブロック３０３及び第４栽培ブロック３０４の全ての栽培ブロックの明暗周期が同期しないようにしてもよい。図６（ａ）では、植物栽培用照明システムユニット９１，９２，９３，９４のそれぞれに対して周波数２．５ＫＨｚ、デューティ比３０％のパルス信号Ｓを発生させているが、発生タイミングを全てずらすことにより、第１栽培ブロック３０１、第２栽培ブロック３０２、第３栽培ブロック３０３及び第４栽培ブロック３０４の全ての栽培ブロックの明暗周期が同期しないようになっている。

また、例えば図６（ｂ）に示すように、第１栽培ブロック３０１と第３栽培ブロック３０３とにおいて、あるいは第２栽培ブロック３０２と第４栽培ブロック３０４とにおいては明暗周期が同期しているが、隣接する第１栽培ブロック３０１と第２栽培ブロック３０２との間、第２栽培ブロック３０２と第３栽培ブロック３０３との間、第３栽培ブロック３０３と第４栽培ブロック３０４との間では明暗周期が同期しないようにしてもよい。図６（ｂ）では、植物栽培用照明システムユニット９１，９３のそれぞれに対しては周波数２．５ＫＨｚ、デューティ比３０％のパルス信号Ｓを同じタイミングで発生させ、植物栽培用照明システムユニット９２，９４のそれぞれに対しては周波数２．５ＫＨｚ、デューティ比３０％のパルス信号Ｓを同じタイミング（植物栽培用照明システムユニット９１，９３とは異なるタイミング）で発生させることにより、第１栽培ブロック３０１と第３栽培ブロック３０３とにおいて、あるいは第２栽培ブロック３０２と第４栽培ブロック３０４とにおいては明暗周期が同期しているが、隣接する栽培ブロックの明暗周期は同期しないようになっている。

以上説明したような植物栽培用照明システム９によれば、一つ一つの栽培ブロック内では、ＬＥＤアレイ３の照明サイクルを同期させることによって効率的に電力消費量を節約しつつ、隣り合う栽培ブロック間では、ＬＥＤアレイ３を駆動する電源のスイッチング時に生じる電磁ノイズが重畳されないようにＬＥＤアレイ３の照明サイクルを同期させず、照明サイクルの位相をずらすことができるため、周囲の他の電子機器の動作や作業者の人体に対する電磁ノイズの影響を抑えながらも、必要最小限の光量で効率的に植物の照明栽培をすることができる。

以上、本発明に係る植物栽培用照明システムについて図面に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、種々の変更実施が可能である。

１００ 植物工場
２００ 栽培装置
２１０ 栽培ベッド
２２０ ＬＥＤ光源
３０１ 第１栽培ブロック
３０２ 第２栽培ブロック
３０３ 第３栽培ブロック
３０４ 第４栽培ブロック
９ 植物栽培用照明システム
９１，９２，９３，９４ 植物栽培用照明システムユニット
１ 制御コントローラ
１１ パルス発生回路
１２ 制御回路
２ ＬＥＤドライバ
２１ パルス信号増幅ドライバ
２２ レベルコンパレータ
３ ＬＥＤアレイ
４ コンピュータ

Claims (3)

1. 複数の栽培ブロックから構成される栽培領域に対して、所定時間点灯する明期幅と、所定時間消灯する暗期幅とを一周期とする照明サイクルで光を照射する複数の光源と、
   前記複数の光源を制御する制御手段と、を備え、
   前記複数の光源が、光を照射する栽培ブロック毎に複数のグループに区分されており、
   前記制御手段が、前記複数のグループにおける同一のグループ内では光源の照明サイクルを同期させ、前記複数のグループにおける隣り合う栽培ブロックに光を照射する二つのグループ間では光源の照明サイクルを同期させないように前記複数の光源を制御することを特徴とする植物栽培用照明システム。
2. 前記制御手段が、前記複数の光源をそれぞれ駆動する複数の光源駆動回路と、前記複数の光源駆動回路にパルス信号を送るパルス発生回路とを備えることを特徴とする、請求項１に記載の植物栽培用照明システム。
3. 所定時間点灯する明期幅と、所定時間消灯する暗期幅とを一周期とする照明サイクルで光を照射する複数の光源によって、複数の栽培ブロックから構成される栽培領域に光を照射して植物を栽培する植物栽培方法であって、
   前記複数の光源が、光を照射する栽培ブロック毎に複数のグループに区分されており、
   前記複数のグループにおける同一のグループ内では光源の照明サイクルを同期させ、前記複数のグループにおける隣り合う栽培ブロックに光を照射する二つのグループ間では光源の照明サイクルを同期させないように前記複数の光源を制御することを特徴とする植物栽培方法。

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