(57)【要約】【課題】  太陽光および人工光を利用して照明する従来の植物工場は、植物にとって有害な近赤外線の波長域を含む太陽光を植物に照射していた。また人工光の照明には多くの電力が必要であり、経済性、省エネルギー、環境負荷の観点から課題があった。【解決手段】  太陽光を、植物の成長に有用な可視光と、植物の成長にとっては有害ではあるが太陽電池の発電効率が最も高くなる近赤外光とに分離し、可視光のみを植物に照射させるとともに、近赤外光は太陽電池に照射して発電・蓄電させ、人工光の電力供給にも利用できるようにした。【選択図】図4
2011000012.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光および人工光によって植物を栽培する植物工場において、太陽光を可視光と近赤外光に分離する波長フィルタと、前記可視光または人工光を導光し植物を照射するための光ファイバと、前記近赤外光を用いて発電するための太陽電池と、前期太陽電池で発電した電力を蓄えるための蓄電器と、少なくとも前記蓄電器からの電力を用いて発光する人工光とを具備することを特徴とする植物工場。
【請求項２】
請求項１に記載の近赤外光の波長域は800nm以上であることを特徴とする植物工場。
【請求項３】
請求項１に記載の光ファイバに入射する光が、前記太陽光もしくは前記人工光のいずれかであるように切替えるための光スイッチを具備することを特徴とする植物工場。
【請求項４】
請求項１に記載の光ファイバはコアが石英ガラスであり、前記コア側面とは大部分において接触していない保護用の石英ガラスチューブで取囲んだ空気クラッド光ファイバであることを特徴とする植物工場。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は太陽光および人工光を照明として使用し植物を栽培する植物工場において、太陽光線の一部を太陽電池にも照射させて発電し人工光の電力供給に利用できるようにした経済的で省エネルギー、環境負荷が小さい植物工場に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
野菜などの農産物を屋外の畑などで栽培する場合、その育成度は天候に左右され易く、台風、大雨などの被害または病害虫による被害などのため収穫量が減少することがある。またこれらの農産物の栽培には広い土地面積が必要となるため、狭隘な土地では十分な耕作面積を確保することが困難になる。
【０００３】
このため最近では工場内で人工的にこれらの農産物を栽培する技術が開発され植物工場として知られている。植物は光合成によって成長するため、植物工場では太陽光または太陽光に代わる人工光を植物に照射することが最も重要になる。近年では非特許文献１などに記載されているように、蛍光灯やLEDの性能が向上してきており、人工光の照明によって野菜を地下室やビルあるいは工場内で栽培する試みが盛んに行われている状況にある。
【０００４】
LEDを使用して野菜を栽培する場合、図１に示すよう、野菜等の株の直上に多数のLEDを配置・配列させる方法がある。ここで1は棚、２はトレンチ、3はLEDである。野菜は２のトレンチに多数設置されており水耕栽培される。１の棚は多段に縦横に積層されるのが一般的である。
【０００５】
野菜栽培の場所とは異なる場所にLEDを設置しそこから光ファイバで野菜株の直上までLEDの光を導光する方法もある。また太陽光線をフレネルレンズで集光させ光ファイバに入射させて野菜株直上まで導光する方法などもある。
【０００６】
さらに図２に示すように、光ファイバと光スイッチを用いればLEDと太陽光を併用できるようにする方法も可能になる。ここで４１、４２、４３、４４は光ファイバであり、5は太陽光集光レンズ、６は光スイッチである。
【０００７】
この場合LED光と太陽光とは光スイッチで電気的に切替え可能になっており太陽光の強弱によってLEDか太陽光のどちらかに自動的に切替えて利用することができ、常時LEDを照射させるときに較べてエネギーコストは下がる利点がある。
【０００８】
また逆に常時太陽光のみを利用する場合に較べてLEDと太陽光の併用方法は、安定して野菜に光を照射できることになり最近特に注目されている。
【０００９】
これら光ファイバを使用した野菜工場は特願2009-025523として出願されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】『ＬＥＤ光源、植物工場ハンドブック』東海大学出版会、１９９７年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
省エネルギーの観点からは、太陽光とLED光の併用が植物工場用光源として最も適していると考えられるが、この場合以下の問題があった。
【００１２】
一般に植物の成長には赤色の波長の光が適しており、一部青色も必要であると考えられている。LEDのみを使用する場合、波長はLEDの種類によって決まるため、赤色と青色で発光するLEDをそれぞれ所望の割合で配置し照射すれば植物にとって最適な波長のみで照射できる。
【００１３】
一方、植物の成長にとって950nm近傍の波長域での照射は好ましくはないと言われている。しかし、例えば石英ガラス製光ファイバを用いて太陽光を植物株のところまで導光し照射すれば、950nm近傍の近赤外波長域を含む広い範囲の波長の光が植物に照射されることになる。
【００１４】
従って太陽光を光ファイバで導光するようにした植物工場においては、植物にとって好ましくない波長域での照射も避けられないという問題があった。
【００１５】
また、波長フィルタなどを用いれば植物の成長にとって不要な波長域を太陽光から除いて光ファイバに入射させ植物に照射することも可能となるが、この場合には波長フィルタで遮断された太陽光は結局無駄な光となり、太陽の光エネルギーをより多く利用し、省エネルギーで環境負荷が小さい経済的な植物工場を実現するという観点からは好ましくないという問題があった。
【００１６】
本発明は以上に記述した諸問題を解決するため特願2009-025523にさらに改良を加えたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
従来技術での課題を解決するため本発明では、植物にとって不要・有害な950nm近傍の波長域の光が、逆にシリコンの太陽電池の発光効率が最も高くなる波長域に一致しているという材料特性を利用した。
【００１８】
図3は単結晶シリコン太陽電池の光―電気変換効率の波長依存性を模式的に示すものである。横軸は光の波長、左側縦軸は太陽光強度、右側縦軸は太陽電池の光−電気変換効率であり、点線は太陽光強度、実線は太陽電池の変換効率を示す。いずれも縦軸は相対値で表現されている。
【００１９】
図３からわかるように単結晶シリコン太陽電池の光―電気変換効率は950nm近傍で最大となり800nm以下では950nmの約70%以下になる。
【００２０】
つまり、太陽光を波長フィルタで例えば800nm以上の長波長域の光（主に近赤外光）と800nm以下の短波長域の光（主に可視光）に分割し、800nm以上の近赤外光は太陽光発電に利用してLEDの電力供給に用い、それ以下の赤色を含む可視波長域の太陽光は光ファイバに入射させて植物栽培に用いるようにすれば従来技術の課題が解決できることになる。
【００２１】
具体的には太陽光が光ファイバに入射する前の空間に、800nm以上の長波長域を反射しそれ以外の短波長域は透過させる波長フィルタを挿入し、800nm以上の反射光側に太陽電池を配置し、それ以下の波長透過側には光ファイバを配置させる手段を用いた。
【００２２】
太陽電池で発電した電力は蓄電器に充電され、必要に応じてLEDへの電力として利用できるようにした。
【００２３】
なおここで波長フィルタで分割する波長を代表的に800nmとしたが、これは950nm近傍の光線を除去するのが目的であるため、750nmで分割しても850nmで分割しても本質的な差を生じるものでなく本発明の範囲に含まれるものである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明では、太陽光を光ファイバで導光し植物の栽培に利用する際、植物の成長に有害な950nm近傍の波長域の光を除いた太陽光で照射できるため植物の栽培に適した照射環境の植物工場を実現できる。
【００２５】
また植物のへの照射に供しない800nm以上の長波長域の光はシリコン太陽電池の光―電気変換エネルギーとして利用され、LEDなどの人工光での照射時の電力となるため、無駄な光エネルギーがなくなり、省エネルギーの効果は極めて大きい。さらに本発明によれば、太陽光の広い波長域を全て有効に利用できるため植物工場全体として環境に与える負荷も極めて小さくなる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】LED照明による植物工場の模式図。
【図２】太陽光とLEDを併用した植物工場の模式図。
【図３】単結晶シリコン太陽電池の光―電気変換効率波長依存性模式図。
【図４】本発明による植物工場の模式図（実施例１）。
【実施例１】
【００２７】
図4は本発明による植物工場の模式図を示したものである。ここで７は波長フィルタ、8は太陽電池、９１、９２は電力ケーブル、１０は蓄電器である。
実際の植物工場は図４のユニットが複数結合された構造になっており、ここではその一部のみを示している。
【００２８】
太陽光は５の集光レンズで集光され41の光ファイバに入射させられる。集光レンズ５と光ファイバ４1の間には800nm以上の長波長域を反射させ、800nm以下の短波長域を透過させる波長フィルタ７が挿入されている。
【００２９】
使用する光ファイバは通常のゲルマニウムドープ石英ファイバやフッ素クラッド石英ファイバなどでも良い。しかしここでは、経済性の観点とNAが非常に大きく照明用に適している理由で空気クラッド石英光ファイバを用いた。
【００３０】
波長フィルタ７で反射した800nm以上の長波長太陽光は８の太陽電池に入射させられ発電に利用された。
【００３１】
一方波長フィルタ７を透過した主に可視域の光は41,43,44の光ファイバを通って植物に照射された。
【００３２】
直射日光が当たっている時間帯は６の光スイッチは800nmより短波長の太陽光を43の光ファイバに導光するように作動し、３のLEDの発光は停止させた。
【００３３】
直射日光が当たらない時間帯や雨天の場合、３のLEDは発光状態にし42の光ファイバに入射させた。この場合６の光スイッチは42の光ファイバと43の光ファイバを光学的に結合するように作動させた。晴れた時点で９の太陽電池で発電し９１のケーブルで１０の蓄電器に充電されていた電力は92のケーブルを介して3のLEDの発光用に供せられた。
【００３４】
このように太陽光とLEDを併用し、しかも太陽光から植物にとって有害な光の成分を遮断した光で植物を栽培し、遮断された太陽光エネルギーは太陽電池の発電に利用され、LEDの電力になるため、照射光源がLEDのみの場合の植物工場に較べて２重に省エネルギー効果が出てきた。また照明光に有害な波長を含まないため植物の生育状況も極めて良好であった。
【００３５】
さらに太陽光とLEDを併用する場合に較べても、本実施例ではLEDへの商用電源からの供給を少なくすることができ省エネルギー効果は著しいものがあった。
【符号の説明】
【００３６】
１            棚
２            トレンチ
３            LED
41,42,43,44   光ファイバ
５            集光レンズ
６            光スイッチ
７            波長フィルタ
８            太陽電池
91,92         電力ケーブル
10            蓄電器
【図１】
2011000012.tif 000003
【図２】
2011000012.tif 000004
【図３】
2011000012.tif 000005
【図４】
2011000012.tif 000006