There exists a strong need for developing an artificial cultivation environment for sustainable and low-initial investment solution in order to solve economic problem and to maximize energy efficiency of the existing plant factories. This research is to replace existing high density plant factory’s artificial light source with natural light. This is especially necessary to reduce the initial investment of the light source installation as well as operation cost due to the power supply for increasing the production of crops. Maximizing the use of solar light also improves the quality of the plants grown just like those exposed to the natural environment. In order to provide qualitatively superior solar light to the multi-layered plant facilities, collecting maximum, stable and direct sunlight without loss by tracing solar path and properly spreading it through careful control of the inflow during daytime is indispensable. A series of light shelf is designed for a plant facility which induces the excessive direct sunlight to the deeper part of the facility while reducing the amount of upper side luminosity utilizing optical transfer effect. And it tracks the movement of the sun based on daily and annual solar path changes for maximizing the sunlight entering into the facility and supplies the natural light in the direction of a diffuse panel. In this investigation, through introducing a new generation roof-top mounted light shelf equipment, a solar light distribution system was developed by an innovative way of effectively allocating sunlight inside even to the typically shaded zone of a multi-layered plant facility, which is promising for the maximization of energy saving and plant cultivation efficiency, To prove the effectiveness of the system’s sunlight collection and distribution capability, the daylight environment of Daejeon is investigated and applied to the verification simulations.
온실이나 비닐하우스와 같은 시설재배는 도시인구의 증가와 유통구조의 개선을 위해 로컬 푸드의 개념을 도입하여 자급자족이 가능한 도농 복합형 다층밀식 식물공장 재배형태로 진화할 것으로 예측된다. 기존 식물공장의 광 환경에 관한 연구동향을 보면 유럽은 단층-태양광 및 인공광 병용형, 일본 및 미국은 다층-완전 인공광형으로 연구가 진행되고 있다. 유럽형은 생산효율이 낮고 국내 에 적합하지 않으며, 일본-미국형은 높은 생산효율을 얻기 위한 초기 인공광원 투자비가 높아 보급이 어렵다. 따라서, 기존의 식물공장의 에너지 효율과 경제성 문제를 해결하기 위해 지속가능하고 초기투자비가 낮은 작물인공재배시설의 개발이 필요하다. 본 연구에서는 시설내부 조명에너지 절약과 생육공간의 조도확보를 위해 효과적인 태양광 배분이 가능한 건축 자연채광 요소인 광 선반을 도입하여 다층형 밀식재배설비의 암영대로 인한 자연광 공급 문제를 해결은 물론, 기존 밀식재배시설의 인공광원을 자연광으로 대체하여 광원설치의 초기투자비와 전력을 포함한 운영비를 줄이며 자연환경에 가까운 인공 환경 구축으로 생산 작물의 품질확보를 목적으로 하였다. 본 연구에서는 국내 광 환경을 중심으로 다층형 밀식재배공간에 적용 가능한 태양광 분배 시스템을 도출하고 적용된 광 선반 설비의 형태, 재질 및 구동요소에 따른 태양광 분배 효과를 작도와 시뮬레이션 연구를 기초로 유효광량을 예측하여 식물재배 가능성 여부를 분석하였다. 광선 추적기법을 활용하여 확산광의 실내유입을 극대화 할 수 있는 가변적인 천장설치용 광 선반을 설계하고, 자연채광 해석시뮬레이션을 활용한 사례들을 토대로 다층형 밀식재배공간의 실내조도수준 및 균제도를 실제 기상데이터 기반으로 분석하여 결과를 도출하였다. 또한 1/2스케일의 실제 생육재배대 광 환경 테스트 설비를 구축하여 시뮬레이션 결과의 타당성을 확보하였다.
