식물공장의 생육환경 제어에 관한 연구

목차

1. 연구의 배경 및 목적
2. 문헌개요
2.1. 시설 환경과 작물의 반응
2.1.1. 광 환경
2.1.2. 온도
2.1.3. 탄산 가스 농도
2.1.4 작물의 생장 모델
2.2. 생육환경의 자동제어
2.2.1. 광 환경 제어
2.2.2. 온도 및 습도 제어
2.2.3. 탄산 가스 농도 제어
2.2.4. 시설의 환경 모델
2.2.5. 생육환경의 최적제어
3. 작물생육 시스템의 계측 및 제어
3.1. 서 논
3.2. 재료 및 방법
3.2.1. 작물생육 시스템의 구성
3.2.1.1. 육묘 장치
3.2.1.2. 생육 장치
3.2.2. 생육환경의 계측
3.2.2.1. 광도 발신기
3.2.2.2. 온도 발신기
3.2.2.3. 습도 발신기
3.2.2.4. 탄산 가스 농도 발신기
3.2.2.5. 양액 상태의 계측
3.2.3. 환경제어 시스템
3.2.3.1. 광도 제어
3.2.3.2. 온도 및 습도 제어
3.2.3.3. 탄산 가스 농도 제어
3.2.3.4. 양액 관리
3.3. 결과 및 고찰
3.3.1. 환경계측 시스템의 성능
3.3.1.1. 광도 발신기
3.3.1.2. 온도 발신기
3.3.1.3. 습도 발신기
3.3.1.4. 탄산 가스 농도 발신기
3.3.1.5. 양액 상태
3.3.2. 환경제어 시스템의 성능
3.3.2.1. 광도 제어
3.3.2.2. 온도 및 습도 제어
3.3.2.3. 탄산 가스 농도 제어
3.3.2.4. 양액 상태 제어
3.4. 결 논
4. 작물의 생장 모델
4.1. 서 논
4.2. 재료 및 방법
4.2.1. 기본 생장 모델의 유도
4.2.2. 작물의 생장지표 계측
4.2.2.1. 투영 엽면적
4.2.2.2. 생체중
4.2.2.3. 광합성 속도
4.2.3. 작물 생육실험
4.2.3.1. 탄산가스 농도처리
4.2.3.2. 온도 처리
4.2.3.3. 광도 처리
4.3. 결과 및 고찰
4.3.1. 생장지표 계측
4.3.1.1. 투영 엽면적
4.3.1.2. 생체중
4.3.1.3. 광합성 속도
4.3.2 작물 생육실험 결과
4.3.2.1. 생육의 재현성
4.3.2.2. 탄산가스 농도처리
4.3.2.3. 온도 처리
4.3.2.4. 광도 처리
4.3.3. 공시 작물의 계수 결정
4.3.3.1. 투영 엽면적과 생체중
4.3.3.2. 탄산가스 농도
4.3.3.3. 온도
4.3.3.4. 광도
4.3.3.5. 조합된 환경에서의 생장모델
4.3.4. 환경요인의 감응도 분석
4.4. 결 논
5. 식물공장의 에너지 투입 모델
5.1. 서 논
5.2. 재료 및 방법
5.2.1. 온습도 환경의 평형방정식 유도
5.2.1.1. 에너지 평형
5.2.1.2. 수증기 평형
5.2.2. 온습도 환경의 구성요소 분석
5.2.2.1. 에너지 수지
5.2.2.2. 수증기의 질량 수지
5.2.3. 온습도 제어의 에너지 투입
5.2.3.1. 가열 과정
5.2.3.2. 냉각 과정
5.2.3.3. 제습 과정
5.2.3.4. 온습도 상태 유지
5.2.4. 광도 제어의 에너지 투입
5.2.4.1. 작물 표면에서의 광도
5.2.4.2. 투입 에너지의 계산
5.2.5. 탄산가스 제어의 에너지 투입
5.2.5.1. 탄산가스의 질량 평형
5.2.5.2. 탄산 가스 공급 에너지의 환산
5.2.6. 에너지 투입 모델의 검증
5.2.6.1. 실험용 생육장치의 특성 분석
5.2.6.2. 투입 에너지 예측 프로그램 개발
5.2.6.3. 모델의 검증실험
5.3. 결과 및 고찰
5.3.1. 작동장치별 에너지 투입
5.3.2. 에너지 투입의 경향 분석
5.4 결 논
6. 환경제어 알고리즘 개발
6.1. 서 논
6.2. 재료 및 방법
6.2.1. 환경제어 알고리즘 개발
6.2.1.1. 생육 계획의 수립
6.2.1.2. 최적 환경설정 조합의 탐색
6.2.1.3. 예측조합형 환경제어 알고리즘
6.2.2. 예측조합형 알고리즘의 검증
6.2.2.1. 작물 생육실험
6.2.2.2. 환경제어 시뮬레이션
6.3. 결과 및 고찰
6.3.1. 생육제어 실험 결과
6.3.1.1. 작물의 생장
6.3.1.2. 에너지 투입 및 환경 설정치의 변화
6.3.2. 시뮬레이션에 의한 분석
6.4. 결 논
7. 종합결론 및 요약
장래 연구를 위한 제언
참 고 문 헌
부록1. 생육계획 수립용 프로그램 리스트
부록2. 투입 에너지 예측 및 최적 환경조합 탐색용 프로그램 리스트
부록3. 복합 환경제어 프로그램 리스트

본문내용

2.2.4. 시설의 환경 모델
작물생산 시설의 환경 모델에 관한 대부분의 연구는 온실 재배시의 열손실을 감소시키고 보온 효과를 증진시킴으로써 투입되는 에너지를 절감하려는 목적에서 수행되었다. 따라서, 그 대상은 태양광을 광원으로 하는 보온 및 난방 온실에 국한되어 있으며, 시설 내부의 온도 환경을 주요 변수로 취급하고 있다. 이러한 연구는 피복재의 종류에 따른 온실 내부의 열적 특성 변화와 열전달 특성을 고찰하거나, 난방 및 냉방장치의 효과를 분석하기 위한 것이 대부분이다(Avissar and Mahrer, 1982; Kano and Sadler, 1985; 박 고, 1987). 모델의 접근 방법에 있어서는 정적 모델과 동적 모델, 단일 요인만을 고려한 모델과 복합 요인을 고려한 모델, 그리고 분석적인 방법과 수치해석적 방법 등이 적용되고 있으며, 온실 내부와 외부 사이의 대류, 전도, 복사, 환기 등에 대한 열전달 이론을 이용한 다양한 모델이 제시되고 있다.
정상상태의 에너지 평형에 기초한 정적 모델은 많은 연구에서 찾아볼 수 있다(Walker, 1965; Garzoli and Blackwell, 1973; Chandra and Albright, 1980; Baily, 1984). 정적 모델에서는 각 상태변수의 시간에 대한 변화가 없는 것으로 보아, 모든 입력을 상수로 취급한다. 이와 같은 상태에서의 에너지 수지에 대한 분석 방법은 온실 환경의 변화 과정을 기술함에 있어서 매우 효과적이며, 온실의 기후를 시뮬레이션하여 난방 부하를 산출하거나, 각종 제어 장치 및 제어 방법에 대한 성능 평가를 위하여 사용되는 경우가 많다. 정적 모델의 예로, Froehlich 등(1979)은 온실 내부 공기와 작물의 canopy, 바닥 면에서의 온도를 예측하는 모델을 개발하였고, 박과 고(1987)는 플라스틱 온실의 일사량을 분석할 수 있는 모델을 개발하여 온실에 대한 일사량 효과를 분석하고, 열적 환경에 대한 시뮬레이션을 통하여 온실 내의 환경 변화를 고찰하였다.
반면에, 동적 모델에서는 상태변수의 변화율을 고려하게 되는데, 대부분의 온실 시스템은 비선형이기 때문에 분석적인 해를 구하기 어려우므로 컴퓨터에 의한 수치해석적 해를 구하게 된다. Takakura 등(1971)은 최초로 작물 생장과 온실 환경에 대한 현실적인 시뮬레이션 모델을 개발하였는데, 이 모델에서는 잠열 성분까지를 고려하여, 온실 내부 온도의 동적 변화량을 제시하였으며, 시뮬레이션 결과에 있어서 정적 모델과 많은 차이가 있음을 보고하였다.
Takami와 Uchijima(1977)는 온실 내부의 온도와 상대습도를 조절하기 위하여 온실 내의 지중에 축열조를 매설하여 공기와 축열조의 물이 열교환을 이루는 방식에 대한 동적 시뮬레이션 모델을 개발하였다. Landsberg 등(1979)은 증발식 냉각기의 성능을 평가하기 위한 온실의 동적 기상 모델을 보고하였고, Chiapale 등(1983)은 2중 지붕에 액체를 주입하는 형태의 온실에서 나타나는 열적 환경에 대한 모델을 발표하였다. Jones 등(1984)은 식물생육 챔버에서 가열, 냉각, 탄산가스 공급 프로세스에 대한 컴퓨터 제어를 위하여, 에너지 평형, 수증기 질량 평형, 그리고 탄산가스 평형에 대한 방정식을 설정하여 챔버의 내부 환경에 대한 정상상태 모델을 제안하였다.
최근에 이르러, 손 등(1993)은 임의의 조건에 대하여 시설 내부의 환경 예측과 평가를 위한 다목적 환경 예측 모델을 발표하였다. 이 모델에서는

키워드

식물공장,   생장계측,   생육제어,   예측조합형 알고리즘의 검증,   생육제어 실험 결과,   작물 생육실험