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Purdue University에서 베이비 그린으로 재배되고 있는 상추는 씨앗을 심은 후 15일 후에 수확됩니다. 씨앗은 식물 사이의 광자 손실을 최소화하기 위해 서로 가깝게 뿌려집니다. 사진 제공: Purdue Univ. Cary Mitchell
OptimIA 프로젝트의 연구원들은 실내 농장 재배자가 직면한 환경 제어 문제를 해결하기 위해 노력하고 있습니다.
일부 사람들은 실내 농장 재배자가 직면한 환경 문제가 상대적으로 사소하고 폐쇄된 환경에서 쉽게 극복해야 한다고 생각할 수 있지만, 그것은 틀렸습니다.
“실내 농장이 직면한 문제와 병목 현상 중 일부는 불균일한 환경으로 이어지는 불충분한 공기 흐름, 낭비적인 조명, 캐노피에 빛이 전달되는 방법을 포함합니다.”라고 제어 환경 농업 센터(CEAC)의 책임자인 Murat Kacira가 말했습니다. 애리조나 대학과 회원 OptimIA 프로젝트 연구팀. “이러한 문제 외에도 공중 환경의 습도 및 물 관리와 관련된 문제가 있을 뿐만 아니라 실내 농작물에 대한 최고의 광 품질, 광도 및 광 레시피를 식별하는 문제도 있습니다.”
2019년 OptimIA 프로젝트가 시작되기 전에 재배자를 포함한 실내 농장 산업의 이해 관계자를 대상으로 설문 조사를 실시하여 가장 필요한 연구 분야를 결정했습니다.
“실내 농장은 닫힌 상자입니다.”라고 Kacira는 말했습니다. “무엇이 들어가고 무엇이 나오는지 알지만 생산 기대치를 충족시키기 위해 빛, 온도, 습도, 이산화탄소 및 작물을 재배하는 다른 모든 프로세스를 제어하는 것을 포함하여 해당 환경을 제어하기 위한 자원이 필요합니다.
“실내 농장은 온실 환경보다 더 엄격한 통제를 제공합니다. 예를 들어 빛의 강도, 온도 및 공기의 물 재순환과 같은 실외 역학에서 동일한 효과가 없습니다. 공기에서 물을 수확할 수 있는 것은 온실 시스템에 비해 실내 농장 시스템에서 더 쉽습니다. 온실에 비해 실내 농장의 경우 제어 가능성이 더 높으며 물론 이러한 제어를 달성하기 위한 자원 사용에 대한 추가 비용이 있습니다.”
환경 제어에 주력
Kacira와 그의 대학원생 팀인 애리조나 대학교의 KC Shasteen과 Christopher Kaufmann은 OptimIA 프로젝트의 환경 제어 측면에 크게 기여했습니다.
Kacira는 “빛이 식물에 에너지를 공급한 다음 냉각과 적절한 증산 및 뿌리에서 영양분 배치를 위해 에너지를 방출해야 하기 때문에 우리는 또한 빛을 고려하고 있습니다.”라고 말했습니다.
Kacira의 팀은 공기 흐름을 개선하고 에너지 절약을 위한 환경 변수의 공동 최적화를 식별하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 수행했습니다. 컴퓨터 시뮬레이션 연구 결과를 바탕으로 Kaufmann은 CEAC의 수직 농장 시설에서 실험을 수행하여 상추 작물의 팁번을 완화하기 위한 수직 및 수평 기류 시스템 설계를 평가하고 있습니다. Shasteen과 Kacira는 빛, 온도, 상대 습도 및 이산화탄소 수준을 포함한 변수의 공동 최적화로 모델링 작업을 했습니다.
“우리는 수율 결과를 정량화하고 이러한 환경 제어 전략에 대한 에너지 사용량을 결정할 수 있었습니다.”라고 Kacira는 말했습니다. “이 연구에서 생성한 이러한 모델과 결과 및 정보는 경제 팀의 OptimIA 동료가 사용합니다. 그들은 실내 농장 응용 프로그램 및 실내 농장 시스템에 대한 다양한 수익성 및 경제성 시나리오에 대한 경제 모델을 개발하고 있습니다.
“우리는 주로 공기 흐름 시스템 설계 및 최적화, 습도 관리 및 주로 에너지 절약을 위한 환경 변수의 공동 최적화에 중점을 둡니다. 우리의 협력에는 Nadia Sabeh도 포함되었습니다. 그린하우스 박사 환경 제어 측면의 습도 관리 측면에서.”
실제 애플리케이션
공기 흐름 시스템 설계, 개념 및 권장 사항과 관련된 애리조나 대학 팀의 연구 결과 중 일부는 상업적 운영에서 실제 성장하는 환경에 통합되었습니다.
Kacira는 “우리는 연구 결과 중 일부를 협력을 통해 상업적 현장 시험에 통합할 수 있습니다.”라고 말했습니다. “우리는 OptimIA 프로젝트의 일환으로 20명 이상의 업계 협력자를 보유하고 있습니다. 일부 공동 작업자는 일부 공기 흐름 시스템 설계, 환경 제어 및 이러한 변수의 공동 최적화를 작업에 구현하는 데 관심을 보였습니다. 우리는 또한 OptimIA 프로젝트가 끝나기 전에 이를 직접 구현하고 상업적 환경에서 일부 연구 결과를 평가할 기회를 갖게 될 것입니다.”
에너지 비용 절감
단독 조명은 실내 농장에서 가장 큰 에너지 비용입니다. 실내 농장 에너지 비용은 전체 운영 비용의 최소 30%를 차지합니다. 기타 에너지 비용은 팬 작동, 제습 및 환기와 관련이 있습니다.
Purdue University의 원예학 교수인 Cary Mitchell은 “Purdue University의 OptimIA 연구의 초점은 실내 작물 재배와 관련된 에너지 비용을 확인하고 줄이는 것입니다.”라고 말했습니다. “실내 농장 재배자가 가장 큰 에너지 비용이 될 유일한 소스 조명을 사용하는 경우. 이 실내 농장은 전기에 연간 수십만 달러를 소비하며 대부분 조명에 사용됩니다.”
Mitchell은 오랫동안 실내 농업에서 이익을 결정하고 이익을 제한하는 매개변수 중 하나로 에너지에 관심을 가져왔습니다.
“모든 OptimIA 연구원들은 실내에서 잎이 많은 채소와 요리 허브를 재배하기 위한 자원을 절약하는 데 관심이 있습니다.”라고 그는 말했습니다. “그게 우리 모두의 공통점입니다. Purdue 연구원들은 에너지 절약에 초점을 맞추고 있습니다. “
빛 낭비 방지
Mitchell과 박사 대학원생인 Fatemeh Sheibani는 근접 캐노피 LED 조명을 연구하고 있습니다. 이 조명은 하이 와이어 토마토와 생장미를 포함한 일부 온실 작물에 사용되는 캐노피 내부 조명과 유사합니다.
“우리가 발견한 것 중 하나는 LED를 어둡게 하지 않고 LED 조명 기구와 아래 작물 사이의 이격 거리가 줄어들면 식물의 생산성이 높아진다는 것입니다.”라고 그는 말했습니다.
LED는 빛의 대부분이 모든 방향으로 별처럼 방사되는 점광원입니다.
“실내 농장에서 LED 고정 장치를 머리 위에 장착하면 빛의 대부분이 비스듬히 측면으로 이동합니다.”라고 Mitchell이 말했습니다. “모든 빛이 식물을 향해 내려가는 것은 아닙니다. 자르기 영역 외부로 떨어지는 상당한 양의 광자가 낭비됩니다. 조명을 식물에 더 가깝게 옮기는 것 외에는 할 수 있는 일이 많지 않습니다.”
LED는 차갑기 때문에 HID(High Intensity Discharge) 램프와 달리 식물을 태우지 않고 LED 고정물과 식물 사이의 이격 거리를 줄일 수 있습니다.
Mitchell은 “비스듬히 방출된 대부분의 광자가 실제로 벤치 가장자리에서 벗어나지 않고 작물 표면에 포착되도록 분리 거리를 줄일 수 있습니다.”라고 말했습니다. “재배자가 벤치를 따라 또는 벤치를 가로질러 LED 설비를 실행하는지 여부에 관계없이 작물 성장의 기울기를 원하지 않습니다. 재배자들은 벤치 중앙에서와 마찬가지로 가장자리에서도 많은 성장을 원합니다. 이로 인해 재배자는 조명을 벤치 중앙뿐만 아니라 가장자리 쪽으로 설치하게 될 수 있습니다. 고정물이 가장자리 쪽으로 더 많이 장착될수록 더 많은 광자가 손실됩니다.”
식물에 더 많은 빛을 비추다
Sheibani는 가까운 캐노피 조명의 두 가지 시나리오를 연구하고 있습니다. 한 가지 시나리오는 LED 조명을 식물에 더 가까이 배치하면 조명이 어두워지는 것입니다. 빛이 어두워지더라도 더 많은 측면 방출 광자가 포획되기 때문에 식물 표면에는 동일한 강도의 빛이 있지만 전기는 덜 사용됩니다. 두 번째 시나리오에서 Sheibani는 LED 조명을 식물에 더 가깝게 배치했지만 조명을 어둡게 하지 않았습니다.
“이 두 번째 시나리오에서 설비를 식물에 더 가깝게 배치하면 다시 한 번 광자 손실량이 감소했습니다.”라고 Mitchell이 말했습니다. “이 경우 동일한 전력 및 에너지 사용량에 대해 유효 광도가 증가했기 때문에 식물 생산량이 증가했습니다. 식물은 더 빠르고 더 크게 자랐습니다. 간격이 가까워질수록 에너지 활용 효율이 높아집니다.”
실내 수직 농장에서 LED 설비 하단과 작물 상단 사이의 전통적인 분리 거리는 40-50cm입니다.
“우리는 45, 35, 25, 15cm의 설비와 식물 사이의 분리 거리를 테스트했습니다.”라고 Mitchell이 말했습니다. “우리는 조명이 식물에 더 가까이 배치될수록 에너지 활용 효율이 선형적으로 증가한다는 것을 발견했습니다. 이것은 대부분의 실내 농장에서 비교적 쉽게 구현할 수 있지만 장비 공급업체의 일부 설계 수정이 필요할 수 있습니다.”
Mitchell은 두 가지 시나리오를 연구한 이유는 일부 실내 농장에 밝기 조절이 불가능한 LED 조명이 설치되어 있기 때문이라고 설명했습니다.
그는 “조광이 불가능한 LED 조명기구의 경우 조명을 식물에 더 가까이 가져가면 조명이 끌어오는 에너지는 같지만 수확량이 늘어나 식물이 더 빨리 자란다”고 말했다. “이는 식물이 동일한 바이오매스에 도달하여 더 일찍 수확할 수 있거나 수확 날짜가 동일하게 유지되어 더 많은 바이오매스가 생산될 수 있음을 의미합니다. 이것은 재배자들에게 그들의 생산 요구에 가장 적합한 캐노피 조명을 사용할 수 있는 옵션을 제공합니다.”
Mitchell은 상업적으로 이용 가능한 모든 LED 고정물이 가까운 캐노피 조명 응용 분야에서 제대로 작동하는 것은 아니라고 지적합니다.
“LED 조명은 색상 분포가 균일하지 않고 청색광 덩어리가 있는 곳이 있습니다.”라고 그는 말했습니다. “빛이 확산되는 양에 따라 다른 색상이 파란색 빛과 겹치기에 충분한 거리가 있기 때문에 조명과 식물 사이의 45cm 분리 거리에는 큰 문제가 되지 않습니다. 그러나 조명이 식물 표면의 25~15cm 이내에 배치되면 청색광 클러스터가 나타납니다. 청색광은 잎의 팽창을 억제하고 잎의 착색을 촉진합니다. 조명 분포가 고르지 않은 LED로 근접 캐노피 조명을 수행하면 그 결과 매우 이상하게 보이는 농작물 스탠드가 될 수 있습니다. 재배자에게는 다행스럽게도 오늘날 원예 조명용으로 사용할 수 있는 대부분의 상업용 LED 어레이는 매우 균일합니다.”
이상: Murat Kacira, 애리조나 대학교, 제어 환경 농업 센터; [email protected]; http://ceac.arizona.edu/. Cary Mitchell, 퍼듀대학교 원예 및 조경학과; [email protected]; https://ag.purdue.edu/department/hla/directory.html#/cmitchel.
이 기사는 Urban Ag News의 자산이며 텍사스 포트워스의 프리랜서 기술 작가인 David Kuack이 작성했습니다.
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