CN110191632B - 二氧化碳施肥装置 - Google Patents
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Abstract
提供一种二氧化碳施肥装置，能够匹配植物的光合成的状态进行最合适的二氧化碳的供给量的控制。二氧化碳施肥装置(1)基于植物(23)的叶脉部(34)与叶片部(A)之间的温度差和时刻，来判定植物(23)的光合成的状态，并基于农业设施内的温度与植物(23)的叶温之间的温度差，来判定植物(23)的光合成的速度，并且以所判定出的植物(23)的光合成的速度作为指标，基于植物(23)的光合成的状态，来对朝向植物(23)生长的农业设施内供给二氧化碳的供给量进行控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种二氧化碳施肥装置。详细而言，涉及一种培育植物的设施的二氧化碳施肥装置。
背景技术
以往，作为植物的光合成的基质，有二氧化碳，光合成的速度受二氧化碳浓度的影响。在光合成所需要的二氧化碳不足的情况下，光合成的速度就会减小。在农产品生产中，向植物施肥二氧化碳而保持二氧化碳的高浓度、提高光合成的速度、促进生长，由此来实现产量增加以及品质提高，并将这种情形称作二氧化碳施肥。作为二氧化碳施肥技术，已知有：能够向植物叶子的附近供给足够的二氧化碳的含二氧化碳微气泡水供给方法、以及含二氧化碳微气泡水供给装置。例如，如专利文献1所记载的那样。
在专利文献1记载的含二氧化碳微气泡水供给方法中，将二氧化碳和水导入微气泡发生装置来生成含二氧化碳微气泡水，利用喷雾导管，将该含二氧化碳微气泡水以微小水滴喷出到植物的局部上。
在专利文献1记载的技术中，含二氧化碳微气泡水供给装置利用红外热像仪等测量叶温，在叶温超过规定值时喷雾出二氧化碳微气泡水。由此，含二氧化碳微气泡水供给装置在植物照射更多的光时，供给更多的二氧化碳，以促进光合成。然而，即使在植物接受光照而致叶温高的情况下，在产生水分不足的水份胁迫(water stress)时，植物为了保持水分而关闭气孔，也就无法从气孔吸取二氧化碳，光合成的速度显著降低。因此，期望一种即使在产生水分胁迫而实际上无法进行光合成的情况下，也能够进行最合适的二氧化碳供给量的控制的二氧化碳施肥装置。
专利文献
专利文献1：日本特开2011-50293号公报
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够匹配植物的光合成的状态而进行最合适的二氧化碳供给量的控制的二氧化碳施肥装置。
本发明要解决的课题如以上那样，接下来说明用于解决该课题的手段。
即，二氧化碳施肥装置是如下装置：基于植物的叶脉部与叶片部之间的温度差，来判定植物的光合成的状态，并基于植物的光合成的状态，来对朝向植物生长的设施内供给的二氧化碳的供给量进行控制。
二氧化碳施肥装置是如下装置：基于设施内的温度与植物的叶温之间的温度差，来判定植物的光合成的速度，并基于时刻，来判定植物的光合成的状态，并且以植物的光合成的速度为指标，基于植物的光合成的状态，来对朝向植物生长的设施内供给的二氧化碳的供给量进行控制。
二氧化碳施肥装置通过能量供给装置，来供给二氧化碳，其中该能量供给装置具备：发动机驱动型发电机、发动机驱动型发电机的废热回收机构、以及发动机驱动型发电机的废气的二氧化碳分离机构。
二氧化碳施肥装置是如下装置：根据植物的生长状态，来对被测量叶脉部与叶片部之间的温度差的对象的叶子进行变更。
本发明获得以下所示的效果。
在二氧化碳施肥装置中，判定：实际上是否已进行了植物的光合成。由此，能够匹配植物的光合成的状态，来进行最合适的二氧化碳的供给量的控制。
在二氧化碳施肥装置中，通过简单的手法来考虑用于进行植物的光合成的外部环境，判定：实际上是否已进行了植物的光合成。由此，能够匹配植物的光合成的状态，来进行更合适的二氧化碳的供给量的控制。
在二氧化碳施肥装置中，通过利用由发动机产生的电力、热和二氧化碳的三联产***，对植物供给二氧化碳。由此，使用三联产***，能够匹配植物的光合成的状态，来进行最合适的二氧化碳的供给量的控制。
在二氧化碳施肥装置中，判定：对植物的生长有效的位置的叶子上的植物光合成的状态。由此，能够匹配植物的光合成的状态，来进行最合适的二氧化碳的供给量的控制。
附图说明
图1是示出了具备二氧化碳施肥装置的农业设施的立体图。
图2是示出了二氧化碳施肥装置的整体构成的示意图。
图3是示出了二氧化碳施肥装置的控制装置的构成的图。
图4是示出了叶子的构成的图。
图5(a)是示出了没有水分胁迫的情况下的叶子温度分布的状态的图，(b)是示出了有水分胁迫的情况下的叶子温度分布的状态的图，(c)是示出了没有水分胁迫的情况与有水分胁迫的情况的温度变化的图。
图6(a)是示出了测量叶子温度的状态的图，(b)是示出了植物生长的情况下的热敏摄像机的移动的图。
图7是示出了测量西红柿的果实长大时的叶子的温度的状态的图。
图8是示出了表示二氧化碳的供给量的控制的流程的图。
图9是示出了气温与叶温之间的温度差、与光合成速度的关系的图。
符号说明：
1：二氧化碳施肥装置；23：植物；34：叶脉部；A：叶片部
具体实施方式
以下，使用图1以及图2来说明二氧化碳施肥装置的一实施方式的二氧化碳施肥装置1的整体构成。
农业设施2是使各种蔬菜、水果、花卉等植物生长的设施。具体而言，可以例举出：构成为大棚、玻璃房等形成封闭空间的设施。
三联产装置3是用于对农业设施2供给电力、热以及二氧化碳的装置。三联产装置3设置在农业设施2的附近。三联产装置3通过沿着农业设施2的侧面设置的二氧化碳供给路径4而向农业设施2内部供给二氧化碳。三联产装置3具备发动机驱动型发电机5、发动机驱动型发电机5的废热回收机构6、以及发动机驱动型发电机5的废气的二氧化碳分离机构7等。另外，在本实施方式中，作为二氧化碳供给机构，虽然说明了三联产装置3，但不限于此，只要是二氧化碳瓶等能够供给二氧化碳的装置即可。
三联产装置3具备的发动机驱动型发电机5是通过发动机的驱动力来驱动发电机来产生电力的装置。作为发动机，只要是废气中包含二氧化碳的装置即可，并不特别限定，例如，能够使用以生物能源气体等气体为燃料的气体发动机。另外，通过发电机得到的电力既可以直接使用于农业设施2内的照明等各种电力负荷8，也可以设置为在不需要时售电或积蓄到蓄电池中，根据需要来使用。
废热回收机构6是用于回收发动机驱动型发电机5的废热的机构。废热回收机构6包括：对发动机驱动型发电机5进行冷却的冷却水循环路径9、对来自废气的废热进行回收的废气热交换器10、将从发动机驱动型发电机5以及废气热交换器10回收来的废热与来自蓄热水槽11的水介质进行热交换的废热热交换器12、以及向蓄热水槽11供给由废热热交换器12回收来的废热的废热回收路径13。
冷却水循环路径9构成为：对发动机驱动型发电机5进行冷却后的变为高温的冷却水在通过废气热交换器10后又进一步变为高温，而后，在通过废热热交换器12时，在废热热交换器12中与来自蓄热水槽11的水介质进行热交换。热交换后，成为低温的冷却水通过泵14而再次对发动机驱动型发电机5进行冷却，之后，重复进行：从废气热交换器10向废热热交换器12的循环。
另一方面，废热回收路径13构成为：通过泵15将从蓄热水槽11取出的水介质向废热热交换器12供给，在回收发动机驱动型发电机5的废热而成为高温的热水后，返回蓄热水槽11的内部。蓄热水槽11中被蓄热的温水介质经由热供给路径17而被送往供暖器16，在供暖器16中散热后，通过泵18，使温度已降低的水介质返回蓄热水槽11的内部。这样，三联产装置3能够对农业设施2供暖。
二氧化碳分离机构7是：从发动机驱动型发电机5的废气中分离二氧化碳，并供给到农业设施2的机构。二氧化碳分离机构7包括：从发动机驱动型发电机5供给废气的废气供给路径19、对供给废气的方向进行切换的切换阀20、通过使用了吸附剂的压力式分离方法(PSA法)来吸附二氧化碳以外的成分的二氧化碳分离装置21、以及从二氧化碳分离装置21供给二氧化碳的二氧化碳供给路径4。从发动机驱动型发电机5向大气释放的废气通过切换阀20而被切换到对二氧化碳分离装置21供给废气的状态，由此，通过二氧化碳分离装置21，来分离出二氧化碳。而且，二氧化碳分离机构7能够从设置在农业设施内的二氧化碳供给导管22供给二氧化碳。三联产装置3通过对农业设施2供给二氧化碳，能够促进在农业设施内栽培的植物23的光合成。
热敏摄像机拍摄对象变更装置24是：若变更热敏摄像机25的位置、拍摄方向就能够变更热敏摄像机25的拍摄对象的装置。热敏摄像机拍摄对象变更装置24设置在测量的对象的植物23的附近。热敏摄像机拍摄对象变更装置24借助能够变更热敏摄像机25的上下的位置、且能够变更热敏摄像机25的拍摄方向的致动器，来设置热敏摄像机25。另外，也能够构成为：将热敏摄像机拍摄对象变更装置24设置在推车或机器人等上，使推车或机器人等移动而能够变更所测量的对象的植物23。
热敏摄像机25是：用于拍摄从物体辐射的热能量的温度分布的装置。热敏摄像机25构成为：拍摄植物23的叶的温度分布，通过热敏摄像机拍摄对象变更装置24，能够变更作为拍摄对象的植物23的叶子。热敏摄像机25与控制装置31连接，拍摄到的温度分布被送往控制装置31。
设施内温度计26是：用于检测农业设施内的温度的装置。设施内温度计26与控制装置31连接，检测到的温度被送往控制装置31。
另外，外气温度计27、培养基温度计28以及二氧化碳浓度计29等传感器设置于农业设施2，测量到的信息被用于植物23的生长。外气温度计27用于检测农业设施2的外部的温度，培养基温度计28用于检测农业设施2的培养基30的温度，二氧化碳浓度计29用于检测农业设施内的二氧化碳浓度。外气温度计27、培养基温度计28以及二氧化碳浓度计29与控制装置31连接，检测到的值被送往控制装置31。
接下来，利用图3，来说明二氧化碳施肥装置1所具备的控制装置31。
控制装置31是：匹配植物23的光合成的状态而进行最合适的二氧化碳的供给量的控制的装置。在实体上，控制装置31既可以是CPU、ROM、RAM、HDD等通过总线连接的构成，或者也可以是包括单芯片的LSI等的构成。控制装置31为了进行控制而存储有各种程序和数据。
控制装置31连接于热敏摄像机25，能够取得热敏摄像机25拍摄到的叶子的温度分布。
控制装置31连接于输入装置32。输入装置32包括键盘、鼠标，用于操作员进行的输入。
控制装置31连接于设施内温度计26，能够取得设施内温度计26检测到的农业设施内的温度。
控制装置31连接于钟表41，能够取得当前时间点的时刻。
控制装置31连接于发动机驱动型发电机5，通过控制发动机驱动型发电机5的发动机负荷或者运转状态而能够控制二氧化碳的供给量。
控制装置31连接于切换阀20，通过切换切换阀20能够控制二氧化碳的供给量。
控制装置31连接于热敏摄像机拍摄对象变更装置24。能够变更热敏摄像机25的拍摄对象。
接下来，使用图4，来说明叶子的构成。另外，在本实施例中，以植物23为西红柿，来进行说明，但不限于此，只要是具备叶脉部34、叶片部A和气孔35的植物23即可。
叶子33是植物23进行光合成和呼吸的器官。叶子33具备叶脉部34、叶片部A、气孔35等。
叶脉部34与茎的维管束连结而供给水和养分，运送淀粉等合成产物。叶脉部34的走向是从叶子33的根部朝向叶子前端而形成中心主脉，并且在中途分支的叶脉部34朝向侧向延伸。
叶片部A是叶子33的主体，是植物23的光合成的主要场所。叶片部A是从茎分开而向侧向延伸的部分。叶脉部34在叶片部A的内部穿过。
气孔35是为了呼吸以及蒸腾而与外部进行气体交换的结构。气孔35大多存在于叶子33的背侧的表皮。气孔35为：两个细胞(孔边细胞)相向成唇型的构造，通过孔边细胞的形状发生变化，来调节气孔35的大小。二氧化碳主要通过气孔35被供给。此外，通过在叶子33的内部进行的植物23的光合成而产生的氧也从气孔35排出，除此之外，由蒸腾引起的水蒸气向空气中的释放也同样是主要通过气孔35来进行的。调节气孔35的开闭的要素之一有水。具体而言，植物23在存在水分胁迫的情况下，通过关闭气孔35来抑制蒸腾，推迟体内的水分减少。水分胁迫是指：水分不足时植物23生长受阻，在土壤干燥的情况下、或者在湿度低于适当湿度的情况下产生。
接下来，使用图5，说明没有水分胁迫的情况下、和有水分胁迫的情况下的叶子33的温度。另外，叶子33接受光合成所需要的光。
如图5(a)所示，在没有水分胁迫的情况下，通过热敏摄像机25拍摄到的叶的温度分布表现为颜色越深、温度越高。因为叶片部A中的气孔打开进行蒸腾，所以，叶片部A相比于叶脉部34而温度降低。
如图5(b)所示，在有水分胁迫的情况下，通过热敏摄像机25拍摄到的叶的温度分布与没有水分胁迫的情况同样地表现为颜色越深、温度越高。叶子33因为关闭气孔而抑制蒸腾，所以，叶脉部34和叶片部A的温度都升高，温度差减小。
如图5(c)所示，通过图表，关于没有水分胁迫的情况和有水分胁迫的情况，对叶脉部34和叶片部A的温度进行比较。在没有水分胁迫的情况下，叶子33的叶脉部34的温度高于气温，叶片部A的温度成为比气温稍高的状态。在有水分胁迫的情况下，叶子33的叶脉部34和叶片部A的温度都升高，温度差减小。这是因为：在有水分胁迫的情况下，为了保持水分而使气孔关闭，这样由蒸腾造成的内热传递量也就减少的缘故。对没有水分胁迫的情况和有水分胁迫的情况进行比较，叶脉部34和叶片部A的温度差减小(参照双箭头B)。
接下来，说明控制装置31进行的二氧化碳的供给量的控制。
控制装置31基于从钟表41取得的当前时间点的时刻，来判定：是否是能够光合成的时间。所谓能够光合成的时间是指：昼间时间，例如6时至18时。控制装置31判定为：不是能够光合成的时间故而植物23未进行光合成的情况下，进行：使发动机驱动型发电机5的发动机负荷减少的控制、或者切换阀20的切换，由此来减少二氧化碳的供给量或者切断供给。另外，关于能够光合成的时间，因为日出和日落时间是根据季节和地域而变化的，所以，既可以构成为能够由操作人员任意地设定能够光合成的时间，也可以构成为控制装置31根据季节自动地设定能够光合成的时间。
在能够光合成的时间的情况下，控制装置31根据利用热敏摄像机25拍摄到的温度分布的图像(参照图5(a)以及图5(b))，通过图像识别，来判定叶脉部34和叶片部A的位置。在有水分胁迫的情况下，因为叶脉部34与叶片部A之间温度差的变小，所以，控制装置31基于叶脉部34和叶片部A之间的温度差，来判定是否有水分胁迫，即判定植物23是否在进行光合成(有无蒸腾)。
控制装置31在判定为没有水分胁迫且植物23在进行光合成(有蒸腾)的情况下，根据热敏摄像机25拍摄到的图像，来测量叶温。控制装置31将通过图像识别而识别为叶子的部分的平均温度进行计算，来作为叶温。气温(在植物23在设施内的情况下，则为设施内的温度)与叶温之间的温度差、与植物23的光合成的速度之间存在着正相关，所以，控制装置31基于农业设施内的温度和叶温之间的温度差，来判定植物23的光合成的速度。控制装置31以所判定出的植物23的光合成的速度为指标，通过进行发动机驱动型发电机5的发动机负荷或者运转状态的控制、或切换阀20的切换，来控制二氧化碳的供给量。
控制装置31在判定为有水分胁迫且植物23未进行光合成(无蒸腾)的情况下，控制装置31通过进行使发动机驱动型发电机5的发动机负荷减少的控制、或者切换阀20的切换，来减少二氧化碳的供给量或者切断供给。由此，控制装置31匹配实际的光合成的状态，来对植物23供给适量的二氧化碳。
通过这样构成，二氧化碳施肥装置1通过简单的手法来考虑用于进行植物23的光合成的外部环境，基于植物23的叶脉部34和叶片部A之间的温度差，来判定植物23的光合成的实施状况。另外，发动机的废气所包含的二氧化碳被供给到植物23。由此，能够利用三联产***进行恰当的二氧化碳的供给量的控制。
接下来，使用图6以及图7来说明热敏摄像机25的拍摄方法。
如图6所示，热敏摄像机25对西红柿36的叶子的背侧进行拍摄。在使西红柿36的茎生长的情况下，促进生长点38(茎的尖端部)附近的光合成是有效的，所以，热敏摄像机25拍摄生长点38附近的叶子37a(参照图6(a))。在西红柿36的茎生长了的情况下，操作人员操作输入装置32而使热敏摄像机25向上移动(参照箭头C)，使热敏摄像机25的拍摄对象变更为生长点38附近的叶子37b(参照图6(b))。控制装置31基于适合于西红柿36的茎、或根的生长的位置的叶子的光合成状态，来控制二氧化碳的供给量，由此促进西红柿36的茎、或根的生长。
如图7所示，热敏摄像机25对结出果实的西红柿36的叶子的背侧进行拍摄。为了使西红柿36的果实长大，以西红柿36的果实的位置为基准来促进上下的叶子的光合成是有效的。因此，在使西红柿36的果实39长大的情况下，操作人员操作输入装置32，以西红柿36的果实39的位置为基准，将热敏摄像机25的拍摄对象设定为上面的叶子37c。控制装置31基于适合于西红柿36的果实39的生长的位置的叶子的光合成状态，来控制二氧化碳的供给量，由此促进西红柿36的果实39的生长。
通过这样构成，二氧化碳施肥装置1判定：对植物23的生长而言较重要的叶子的植物23的光合成的实施状况。由此，能够匹配植物23的光合成的状态，来进行适当的二氧化碳的供给量的控制。
接下来，使用图8以及图9，具体说明二氧化碳施肥装置1的控制装置31中的二氧化碳的供给量的控制。
在步骤S100中，控制装置31根据时刻，判断是否是能够光合成的时间段。
其结果，在判定为是能够光合成的时间段的情况下，控制装置31转移到步骤S110。
另一方面，在判定为不是能够光合成的时间段的情况下，控制装置31转移到步骤S170。
在步骤S110中，控制装置31判断：叶脉部34和叶片部A之间是否存在温度差。另外，在该判断中，设定阈值，控制装置31判断是否有阈值以上的温度差。
其结果，在判定为叶脉部34和叶片部A之间存在温度差的情况下，控制装置31转移到步骤S120。
另一方面，在判定为叶脉部34和叶片部A之间不存在温度差的情况下，控制装置31转移到步骤S160。
在步骤S120中，控制装置31判定为植物23没有水分胁迫，而转移到步骤S130。
在步骤S130中，控制装置31判定为植物23在进行光合成，而转移到步骤S140。
在步骤S140中，控制装置31以基于农业设施内的温度和叶温之间的温度差而判定的光合成速度为指标，来计算出二氧化碳的供给量，并转移到步骤S150。例如，控制装置31基于气温和叶温之间的温度差、与光合成速度的关系(参照图9)，以使光合成速度加快的方式来计算二氧化碳的供给量。
在步骤S150中，控制装置31进行：供给在S140计算出的供给量的二氧化碳的控制，结束二氧化碳施肥装置1的控制的处理。
在步骤S160中，控制装置31判定为植物23有水分胁迫，而转移到步骤S170。
在步骤S170中，控制装置31判定为植物23未进行光合成，而转移到步骤S180。
在步骤S180中，控制装置31进行：使二氧化碳的供给量减少的控制、或者切断供给的控制，并结束二氧化碳施肥装置1的控制的处理。
上述的实施方式只不过示出了有代表性的方式，能够在不脱离一实施方式的主旨的范围内进行各种变形来实施。此外，能够以各种方式来实施是显而易见的，本发明的范围通过权利要求书的记载来示出，此外，包括权利要求书记载的均等的含义以及范围内的全部的变更。
产业上的可利用性
本发明能够用于培育植物的设施的二氧化碳施肥装置。
Claims (5)
1.一种二氧化碳施肥装置，其特征在于，
基于植物的叶脉部与叶片部之间的温度差，来判定所述植物的光合成的状态，
并且基于所述植物的光合成的状态，来对朝向所述植物生长的设施内供给的二氧化碳的供给量进行控制。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳施肥装置，其特征在于，
基于所述设施内的温度与所述植物的叶温之间的温度差，来判定所述植物的光合成的速度，
还基于时刻，来判定所述植物的光合成的状态，
并且以所述植物的光合成的速度为指标，基于所述植物的光合成的状态，来对朝向所述植物生长的设施内供给的二氧化碳的供给量进行控制。
3.根据权利要求1所述的二氧化碳施肥装置，其特征在于，
通过能量供给装置，来供给二氧化碳，
所述能量供给装置具备：发动机驱动型发电机、所述发动机驱动型发电机的废热回收机构、以及所述发动机驱动型发电机的废气的二氧化碳分离机构。
4.根据权利要求2所述的二氧化碳施肥装置，其特征在于，
通过能量供给装置，来供给二氧化碳，
所述能量供给装置具备：发动机驱动型发电机、所述发动机驱动型发电机的废热回收机构、以及所述发动机驱动型发电机的废气的二氧化碳分离机构。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的二氧化碳施肥装置，其特征在于，
根据所述植物的生长状态，对被测量所述叶脉部与叶片部之间的温度差的对象的叶子进行变更。
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