[논문]식물공장을 위한 회전형 조명시스템 시제품의 광합성유효광양자속 분석

이원섭; 김성관

doi:10.5762/kais.2013.14.2.529

식물공장을 위한 회전형 조명시스템 시제품의 광합성유효광양자속 분석
Analysis of Photosynthetic Photon Flux by Prototype of Rotational Lighting System for Plant Factory 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.14 no.2, 2013년, pp.529 - 534

이원섭 (공주대학교 기계공학과) , 김성관 (공주대학교 기계자동차공학부)

초록
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식물공장을 위한 회전형 조명 시스템은 기존의 식물공장 조명시스템에 무수히 많이 설치되는 LED를 대신하여 비교적 적은 양의 LED가 설치된 조명장치를 회전시켜 작물들에게 필요한 광을 공급하는 시스템이며, 기존 식물공장 조명시스템에서 발생되는 고가의 초기 설치비용을 해결하기 위한 시스템이다. 본 논문에서는 식물이 생장하는데 필요한 광합성유효광양자속(PPF)에 대하여 조사하고, 회전형 조명시스템 시제품과 광양자센서를 이용하여 조명시스템의 LED출력과 회전속도 변화에 따른 PPF의 차이를 비교, 분석하였다. 블레이드의 회전속도가 20rpm이고 LED의 출력이 IN 73%, CENTER 37%, OUT 50%일 때 모든 영역에서 $200{\mu}mol{\cdot}m^{^-2}{\cdot}s^{^-1}$의 일정한 PPF값이 공급된다는 결과를 확인하였으며, 기존의 식물공장의 조명 시스템에 비해 적은양의 LED를 회전시킴으로써 식물의 성장에 필요한 광을 제공하는데 어려움이 없다는 결과를 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Rotational lighting system for plant factory is the way to decrease high installation cost of the existing lighting system. A few of LEDs are used at the rotational lighting system in comparison with the existing lighting system to supply artificial lights to crops. At rotational lighting system, the manufacturing cost becomes very low by comparing with the existing lighting system. In this paper, the photosynthetic photon flux (PPF) is investigated in order that plants may grow. And PPF is analyzed with the rotational speed of blade and LED output by using the rotational lighting system prototype and quantum sensor. It is confirmed that constant PPF value of $200{\mu}mol{\cdot}m^{^-2}{\cdot}s^{^-1}$ is supplied with the blade rotation speed of 20rpm and LED output of IN 73%, CENTER 37% and OUT 50%. By comparing with the lighting system of existing plant factory, there is no difficulty to supply the light needed to grow plants by rotating a few of LEDs.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 기존의 식물공장에서 발생되는 고가의 초기 설치비용을 해결하기 위해 제작된 식물공장을 위한 회전형 조명시스템 시제품을 이용하여 조명부 블레이드의 LED출력과 회전속도 변화에 따른 광합성유효광양자속 측정 실험을 진행하였으며, 실험을 통하여 LED출력과 회전속도 변화에 따라 발생되는 광량의 차이를 확인하였다. 또한, LED출력과 회전속도 제어를 통하여 광이 공급되는 면적에 일정한 PPF가 공급되는 결과를 확인하였다.
본 논문에서는 조명시스템의 LED출력과 회전속도 변화에 따라 광양자센서에서 측정되는 광합성유효광양자속(Photosynthetic Photon Flux, PPF)의 차이를 비교, 분석하는 실험을 통하여 기존 식물공장의 단점 중 무수히 많은 광원 설치로부터 발생되는 고가의 초기 설치비용의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 식물공장을 위한 회전형 조명시스템을 검증하였다.

제안 방법

PPF를 측정하기 위하여 LabVIEW를 기반으로 Fig. 5와 같이 측정 프로그램을 설계하였으며, 광양자센서로 측정할 때에 발생하는 외부 노이즈를 상쇄시키기 위하여 프로그램 내에 저역 통과 필터링 타입과 컷오프 주파수 5Hz, 버터워스 3차인 스펙의 필터를 적용하였다.
두 번째 실험에서는 첫 번째 실험에서 얻은 LED 출력의 결과 값을 기반으로 하여 블레이드의 회전속도를 변수로 설정하고 임의의 회전속도 5rpm, 10rpm, 15rpm, 20rpm으로 변경하며 PPF를 측정하는 실험을 같은 시간 동안 일정한 LED출력에 대하여 진행하였다.
시뮬레이션을 통하여 블레이드의 회전부 중심(IN영역)에서 바깥쪽(OUT영역)으로 갈수록 측정되는 광량 값의 차이가 100%, 76%, 46%로 나타나는 결과[4]를 얻었다. 시뮬레이션의 결과와 IN영역에서 OUT영역으로 갈수록 빛을 공급받는 면적이 증가하는 이유를 토대로 Fig. 3과 같이 LED바의 개수를 블레이드 1개당 IN영역 6개, CENTER 영역 8개, OUT영역 10개로 구성하였다. 또한, 빛을 공급받는 동일한 면적에 대하여 회전 조명 시스템에 사용된 LED(0.
4W의 소비전력 발생하는 LED바를 이용하였다. 조명부 블레이드의 LED바 설치 개수를 설정하기 위하여 Relux 프로그램을 이용하여 시뮬레이션을 진행하였으며, 이때 LED의 개수는 안쪽, 중간, 바깥쪽 모두 같은 개수로 설정하고 진행하였다. 시뮬레이션을 통하여 블레이드의 회전부 중심(IN영역)에서 바깥쪽(OUT영역)으로 갈수록 측정되는 광량 값의 차이가 100%, 76%, 46%로 나타나는 결과[4]를 얻었다.
첫 번째 실험에서는 Table 1과 같이 조명 블레이드가 정지하고 있을 때 블레이드의 IN, CENTER, OUT에서 출력되는 LED의 광량 변화에 따른 여러 가지의 실험 샘플을 통하여 광양자센서에서 측정된 PPF값이 양상추를 재배하기 위해 가정한 목표 PPF값 200μmol·m¯²·s¯¹에 가장 근사한 값이 측정될 때의 LED 출력에 대하여 알아보았다.
첫 번째 실험에서는 양상추의 광포화점과 광보상점으로 알려진 PPF값 302μmol·m¯²·s¯¹와 18μmol·m¯²·s¯¹ 중에서 임의의 사이 값인 200μmol·m¯²·s¯¹를 공급량의 목표로 설정하고 블레이드의 회전이 정지(LED만 점등) 상태일 때 IN, CENTER, OUT영역에 설치된 광양자센서에서 측정되는 PPF가 모두 목표 값인 200μmol·m¯²·s¯¹로 측정될 때의 LED 출력을 확인하였다.

대상 데이터

2와 같이 회전형 조명시스템은 총 3개의 블레이드로 이루어져있으며, 각 블레이드 간의 각도는 120°로 구성하였다. 블레이드에 설치한 LED는 S업체의 P42180(적색)과 D42180(청색)을 이용하여 3:1의 비율로 총 8개의 LED가 설치된 8.4W의 소비전력 발생하는 LED바를 이용하였다. 조명부 블레이드의 LED바 설치 개수를 설정하기 위하여 Relux 프로그램을 이용하여 시뮬레이션을 진행하였으며, 이때 LED의 개수는 안쪽, 중간, 바깥쪽 모두 같은 개수로 설정하고 진행하였다.
실험 진행에서 사용된 광양자센서는 측정파장범위 400 ~ 700nm인 사양의 센서를 사용하였으며, 블레이드와 센서 사이의 거리를 250mm로 설정하였다. 사용한 광양자센서의 특징은 Full Sunlight(2,000μmol·m¯²·s¯¹)일 때 output이 400mV로 출력되며, 이때 출력되는 sensor output voltage값에 conversion factor 5.

이론/모형

LED의 출력 제어 방법으로는 PWM 제어 방식을 이용하여 LED에 인가되는 전류를 제어하는 방법을 사용하였으며, LED의 출력이 100%일 때 전류는 730mA가 출력된다. 블레이드의 회전부는 1kW의 Servo Motor와 Harmonic Drive, Timing Belt를 이용하여 10rpm ~ 60rpm으로 회전할 수 있게 구성하였다.
조명시스템의 LED출력에 대한 PPF를 측정하기 위하여 LabVIEW 프로그램을 기반으로 휴대형 자료수집 장치(cDAQ-9172, National Instruments, USA), 아날로그 입력 모듈(NI 9205, National Instruments, USA), 광양자센서(SQ-120, Apogee Instruments, USA)를 사용하였다.

성능/효과

기존의 식물공장 조명시스템 대비 적은 양의 LED를 사용하여 조명부 블레이드를 회전시킴으로써 빛이 공급되는 면적에서 양상추를 재배하기 위해 가정한 PPF 200μmol·m¯²·s¯¹를 공급할 수 있으므로 기존 식물공장의 조명 시스템에 비해서 회전형 조명시스템을 이용하여 적은 양의 LED로 식물을 재배할 수 있다는 결과를 확인하였다.
데이터를 분석한 결과 블레이드의 rpm이 증가할수록 광양자센서에서 측정된 PPF의 값이 양상추를 재배하기 위해 가정한 목표 PPF값 200μmol·m¯²·s¯¹에 위치하는 피크점의 주기가 짧아지는 것을 확인하였다.
따라서 블레이드의 회전속도 20rpm과 IN 73%, CENTER 37%, OUT 50%의 LED출력으로 블레이드 아래쪽에 위치한 면적에 일정한 PPF 200μmol·m¯²·s¯¹를 공급할 수 있다는 결과를 얻었다.
본 논문에서는 기존의 식물공장에서 발생되는 고가의 초기 설치비용을 해결하기 위해 제작된 식물공장을 위한 회전형 조명시스템 시제품을 이용하여 조명부 블레이드의 LED출력과 회전속도 변화에 따른 광합성유효광양자속 측정 실험을 진행하였으며, 실험을 통하여 LED출력과 회전속도 변화에 따라 발생되는 광량의 차이를 확인하였다. 또한, LED출력과 회전속도 제어를 통하여 광이 공급되는 면적에 일정한 PPF가 공급되는 결과를 확인하였다.
또한, 세 영역의 LED의 출력이 100%일 때의 측정된 PPF값을 이용하여 측정값이 200μmol·m¯²·s¯¹이 되기 위한 비율로 LED의 출력을 조절하며 실험을 진행하였으며, 그 결과 LED의 출력이 IN 73%, CENTER 37%, OUT 50%일 때 목표 PPF값 200μmol·m¯²·s¯¹에 대한 오차범위 5% 이내의 가장 근사한 값이라는 것을 확인하였다.
데이터를 분석한 결과 블레이드의 rpm이 증가할수록 광양자센서에서 측정된 PPF의 값이 양상추를 재배하기 위해 가정한 목표 PPF값 200μmol·m¯²·s¯¹에 위치하는 피크점의 주기가 짧아지는 것을 확인하였다. 또한, 이 데이터를 통하여 기존의 식물공장 조명시스템에 비하여 넓은 면적에 적은 양의 LED를 사용하여 조명부 블레이드를 회전시킴으로써 블레이드 아래쪽 면적에 위치한 식물에게 일정한 PPF를 공급할 수 있다는 결과를 확인하였으며, Table 2와 접목시켰을 때 기존 식물공장의 조명시스템에 비하여 적은 LED를 회전시킴으로써 식물을 재배하는데 필요한 광을 공급하는 것이 어려움이 없다는 결과를 확인하였다.
조명부 블레이드의 LED바 설치 개수를 설정하기 위하여 Relux 프로그램을 이용하여 시뮬레이션을 진행하였으며, 이때 LED의 개수는 안쪽, 중간, 바깥쪽 모두 같은 개수로 설정하고 진행하였다. 시뮬레이션을 통하여 블레이드의 회전부 중심(IN영역)에서 바깥쪽(OUT영역)으로 갈수록 측정되는 광량 값의 차이가 100%, 76%, 46%로 나타나는 결과[4]를 얻었다. 시뮬레이션의 결과와 IN영역에서 OUT영역으로 갈수록 빛을 공급받는 면적이 증가하는 이유를 토대로 Fig.

후속연구

향후에는 식물공장을 위한 회전형 조명시스템 시제품을 이용하여 작물의 생육환경에 따라 생장하는데 필요한 광량, 온·습도 등이 자동으로 제어 가능한 시스템을 연구하려 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	식물공장을 위한 회전형 조명 시스템은 무엇인가?	식물공장을 위한 회전형 조명 시스템은 기존의 식물공장 조명시스템에 무수히 많이 설치되는 LED를 대신하여 비교적 적은 양의 LED가 설치된 조명장치를 회전시켜 작물들에게 필요한 광을 공급하는 시스템이며, 기존 식물공장 조명시스템에서 발생되는 고가의 초기 설치비용을 해결하기 위한 시스템이다. 본 논문에서는 식물이 생장하는데 필요한 광합성유효광양자속(PPF)에 대하여 조사하고, 회전형 조명시스템 시제품과 광양자센서를 이용하여 조명시스템의 LED출력과 회전속도 변화에 따른 PPF의 차이를 비교, 분석하였다.
	식물공장는 어떤 광원을 활용하는가?	식물공장은 도시 대기 중에 급증하고 있는 이산화탄소를 포집하여 식물공장에 공급할 경우 도시의 온실가스를 절감할 수 있다. 또한, 식물공장은 온실가스 절감의 대표적인 기술인 LED를 광원으로 활용하므로 에너지를 절감할 수 있다[2]. 하지만, 연중 일정한 환경을 유지하기 위해 필요한 형광등, LED(Light Emitting Diode)램프와 같은 광원과 일정온도를 유지하기 위한 공조시설 등의 추가적인 설비로 인해 설치비와 에너지 소비량이 증가하는 단점이 있다[3].
	식물공장이 LED 활용으로 에너지를 절감 효과가 있음에도 불구하고, 에너지 소비량을 증가시키는 원인은?	또한, 식물공장은 온실가스 절감의 대표적인 기술인 LED를 광원으로 활용하므로 에너지를 절감할 수 있다[2]. 하지만, 연중 일정한 환경을 유지하기 위해 필요한 형광등, LED(Light Emitting Diode)램프와 같은 광원과 일정온도를 유지하기 위한 공조시설 등의 추가적인 설비로 인해 설치비와 에너지 소비량이 증가하는 단점이 있다[3]. 또한, 기존 식물공장의 조명 시스템은 무수히 많은 LED 또는 형광등과 같은 조명장치를 설치함에 따라 고가의 초기 투자비용의 문제점이 발생한다.

참고문헌 (7)

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C. K. Lee, W. T. Kim, "A Study on the Heating and Cooling Energy Load Analysis of the KNU Plant Factory", Journal of the Korean Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 13, No. 4, pp. 1419-1426, 2012.

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W. S. Lee, S. G. Kim, "Development of the Rotational Smart Lighting Control System Using Artificial Light for Plant Factory", Journal of the Korean Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 13, No. 4, pp. 1474-1479, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2012.13.4.1474

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Y. H. Kim, "Plants Associated with the Production of Light in Physics Terms and Concepts", Journal of the Korean Society of Agricultural Machinery, Vol. 22, No. 4, pp. 503-512, 1997.
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PARUS Co., Ltd., What's LED Growlight?, http://www.growlight.co.kr/en/about/what.asp. (accessed Oct., 9 2012)

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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