KR20190026423A - 염분차 발전에 기반한 스마트 농장 시스템 - Google Patents
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Abstract
염분차 발전에 기반한 스마트 농장 시스템이 개시된다. 스마트 농장 시스템은 농장 시설과 염분차 발전기 및 에너지 저장부를 포함한다. 농장 시설은 농작물 재배를 위한 센서부와 전자기계 장치를 포함한다. 염분차 발전기는 담수와 농축 비료 용액을 공급받아 담수와 농축 비료 용액의 농도차를 이용하여 발전하고, 희석 비료 용액을 배출하여 농작물에 공급한다. 에너지 저장부는 염분차 발전기에서 생산된 전기를 저장하고, 센서부와 전자기계 장치에 전기를 공급한다.
Description
본 발명은 스마트 농장 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 염분차 발전에 기반한 스마트 농장 시스템에 관한 것이다.
최근 신재생 에너지를 이용하여 전기를 생산하고, 이 전기로 농장의 비료 및 물 공급과 농장 운영에 필요한 각종 기기들을 구동하는 스마트 농장 시스템의 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다.
본 발명은 염분차 발전을 이용하여 농장 운영에 필요한 에너지를 생산하고, 농작물의 종류에 따라 최적화된 맞춤형 비료와 물을 안정적으로 공급할 수 있으며, 물-에너지-식량 넥서스 문제 해결이 가능한 염분차 발전에 기반한 스마트 농장 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 농장 시스템은, ⅰ) 농작물 재배가 이루어지며, 농작물 재배를 위한 센서부와 전자기계 장치를 포함하는 농장 시설과, ⅱ) 담수와 농축 비료 용액을 공급받아 담수와 농축 비료 용액의 농도차를 이용하여 발전하고, 희석 비료 용액을 배출하여 농작물에 공급하는 염분차 발전기와, ⅲ) 염분차 발전기에서 생산된 전기를 저장하고, 센서부와 전자기계 장치에 전기를 공급하는 에너지 저장부를 포함한다.
스마트 농장 시스템은, 염분차 발전기에서 배출되는 희석 비료 용액의 농도에 따라 농작물에 대한 희석 비료 용액의 공급을 제어하는 희석 비료 용액 공급부를 더 포함할 수 있다.
희석 비료 용액 공급부는 농도 측정기와 삼방향 밸브를 포함할 수 있다. 삼방향 밸브는 농도 측정기의 측정 결과에 따라 두 개의 출구 중 어느 하나를 개방하여 희석 비료 용액을 농작물에 공급하거나, 염분차 발전기 전단의 농축 비료 용액으로 공급할 수 있다.
스마트 농장 시스템은 모니터링부를 더 포함할 수 있다. 모니터링부는 염분차 발전기 및 센서부와 전기적으로 연결되며, 센서부의 감지 신호에 따라 염분차 발전기의 구동을 제어할 수 있다.
스마트 농장 시스템은 담수의 공급을 위한 제1 펌프와, 농축 비료 용액의 공급을 위한 제2 펌프를 더 포함할 수 있다. 모니터링부는 제1 펌프와 제2 펌프의 구동을 제어하여 염분차 발전기에 공급되는 담수와 농축 비료 용액의 유량을 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 스마트 농장 시스템은, ⅰ) 농작물 재배가 이루어지며, 농작물 재배를 위한 센서부와 전자기계 장치를 포함하는 농장 시설과, ⅱ) 반투과막에 의해 분리된 두 개의 유로에 담수와 농축 비료 용액을 흘리고, 1차 희석 비료 용액을 배출하는 정삼투 유닛과, ⅲ) 담수와 1차 희석 비료 용액을 공급받아 담수와 1차 희석 비료 용액의 농도차를 이용하여 발전하고, 2차 희석 비료 용액을 배출하여 농작물에 공급하는 염분차 발전기와, ⅳ) 염분차 발전기에서 생산된 전기를 저장하고, 센서부와 전자기계 장치에 전기를 공급하는 에너지 저장부를 포함한다.
스마트 농장 시스템은, 염분차 발전기에서 배출되는 2차 희석 비료 용액의 농도에 따라 농작물에 대한 2차 희석 비료 용액의 공급을 제어하는 희석 비료 용액 공급부를 더 포함할 수 있다.
희석 비료 용액 공급부는 농도 측정기와 삼방향 밸브를 포함할 수 있다. 삼방향 밸브는 농도 측정기의 측정 결과에 따라 두 개의 출구 중 어느 하나를 개방하여 2차 희석 비료 용액을 농작물에 공급하거나, 정삼투 유닛 전단의 농축 비료 용액으로 공급할 수 있다.
스마트 농장 시스템은 모니터링부를 더 포함할 수 있다. 모니터링부는 정삼투 유닛과 염분차 발전기 및 센서부와 전기적으로 연결되며, 센서부의 감지 신호에 따라 정삼투 유닛과 염분차 발전기의 구동을 제어할 수 있다.
스마트 농장 시스템은 염분차 발전기의 담수 공급을 위한 제1 펌프와, 정삼투 유닛의 농축 비료 용액 공급을 위한 제2 펌프와, 정삼투 유닛의 담수 공급을 위한 제3 펌프를 더 포함할 수 있다. 모니터링부는 제2 펌프와 제3 펌프의 구동을 제어하여 정삼투 유닛에 공급되는 농축 비료 용액과 담수의 유량을 제어할 수 있고, 정삼투 유닛에서 배출되는 1차 희석 비료 용액의 유량에 따라 제1 펌프의 구동을 제어하여 염분차 발전기에 공급되는 담수의 유량을 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 스마트 농장 시스템은, ⅰ) 농작물 재배가 이루어지며, 농작물 재배를 위한 센서부와 전자기계 장치를 포함하는 농장 시설과, ⅱ) 담수와 농축 비료 용액을 공급받아 담수와 농축 비료 용액의 농도차를 이용하여 발전하고, 1차 희석 비료 용액을 배출하는 염분차 발전기와, ⅲ) 반투과막에 의해 분리된 두 개의 유로에 담수와 1차 희석 비료 용액을 흘리고, 1차 희석 비료 용액보다 낮은 농도의 2차 희석 비료 용액을 배출하여 농작물에 공급하는 정삼투 유닛과, ⅳ) 염분차 발전기에서 생산된 전기를 저장하고, 센서부와 전자기계 장치에 전기를 공급하는 에너지 저장부를 포함한다.
스마트 농장 시스템은, 정삼투 유닛에서 배출되는 2차 희석 비료 용액의 농도에 따라 농작물에 대한 2차 희석 비료 용액의 공급을 제어하는 희석 비료 용액 공급부를 더 포함할 수 있다.
희석 비료 용액 공급부는 농도 측정기와 삼방향 밸브를 포함할 수 있다. 삼방향 밸브는 농도 측정기의 측정 결과에 따라 두 개의 출구 중 어느 하나를 개방하여 2차 희석 비료 용액을 농작물에 공급하거나, 염분차 발전기 전단의 농축 비료 용액으로 공급할 수 있다.
스마트 농장 시스템은 모니터링부를 더 포함할 수 있다. 모니터링부는 염분차 발전기와 정삼투 유닛 및 센서부와 전기적으로 연결되며, 센서부의 감지 신호에 따라 염분차 발전기와 정삼투 유닛의 구동을 제어할 수 있다.
스마트 농장 시스템은 염분차 발전기의 담수 공급을 위한 제1 펌프와, 염분차 발전기의 농축 비료 용액 공급을 위한 제2 펌프와, 정삼투 유닛의 담수 공급을 위한 제3 펌프를 더 포함할 수 있다. 모니터링부는 제1 펌프와 제2 펌프의 구동을 제어하여 염분차 발전기에 공급되는 담수와 농축 비료 용액의 유량을 제어할 수 있고, 염분차 발전기에서 배출되는 1차 희석 비료 용액의 유량에 따라 제3 펌프의 구동을 제어하여 정삼투 유닛에 공급되는 담수의 유량을 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 스마트 농장 시스템은, ⅰ) 농작물 재배가 이루어지며, 농작물 재배를 위한 센서부와 전자기계 장치를 포함하는 농장 시설과, ⅱ) 반투과막에 의해 분리된 두 개의 유로에 염수와 농축 비료 용액을 흘리고, 농축 염수와 1차 희석 비료 용액을 배출하는 정삼투 유닛과, ⅲ) 담수와 농축 염수를 공급받아 담수와 농축 염수의 농도차를 이용하여 발전하는 제1 염분차 발전기와, ⅳ) 담수와 1차 희석 비료 용액을 공급받아 담수와 1차 희석 비료 용액의 농도차를 이용하여 발전하며, 1차 희석 비료 용액보다 낮은 농도의 2차 희석 비료 용액을 배출하여 농작물에 공급하는 제2 염분차 발전기와, ⅴ) 제1 염분차 발전기 및 제2 염분차 발전기에서 생산된 전기를 저장하고, 센서부와 전자기계 장치에 전기를 공급하는 에너지 저장부를 포함한다.
스마트 농장 시스템은, 제2 염분차 발전기에서 배출되는 2차 희석 비료 용액의 농도에 따라 농작물에 대한 2차 희석 비료 용액의 공급을 제어하는 희석 비료 용액 공급부를 더 포함할 수 있다.
희석 비료 용액 공급부는 농도 측정기와 삼방향 밸브를 포함할 수 있다. 삼방향 밸브는 농도 측정기의 측정 결과에 따라 두 개의 출구 중 어느 하나를 개방하여 2차 희석 비료 용액을 농작물에 공급하거나, 정삼투 유닛 전단의 농축 비료 용액으로 공급할 수 있다.
스마트 농장 시스템은 모니터링부를 더 포함할 수 있다. 모니터링부는 정삼투 유닛, 제1 염분차 발전기, 제2 염분차 발전기, 및 센서부와 전기적으로 연결되며, 센서부의 감지 신호에 따라 정삼투 유닛과 제1 염분차 발전기 및 제2 염분차 발전기의 구동을 제어할 수 있다.
스마트 농장 시스템은 담수 공급을 위한 제1 펌프와, 제1 염분차 발전기 및 제2 염분차 발전기 각각에 대한 담수 공급 제어를 위한 제1 밸브 및 제2 밸브와, 정삼투 유닛의 농축 비료 용액 공급을 위한 제2 펌프와, 정삼투 유닛의 염수 공급을 위한 제4 펌프를 더 포함할 수 있다.
모니터링부는 제2 펌프와 제4 펌프의 구동을 제어하여 정삼투 유닛에 공급되는 농축 비료 용액과 염수의 유량을 제어할 수 있고, 정삼투 유닛에서 배출되는 농축 염수의 유량에 따라 제1 펌프와 제1 밸브의 구동을 제어하여 제1 염분차 발전기에 공급되는 담수의 유량을 제어할 수 있으며, 정삼투 유닛에서 배출되는 1차 희석 비료 용액의 유량에 따라 제1 펌프와 제2 밸브의 구동을 제어하여 제2 염분차 발전기에 공급되는 담수의 유량을 제어할 수 있다.
본 발명에 따르면, 스마트 농장 시스템은 담수와 농축 비료 용액의 농도차를 이용하여 전기를 생산함과 동시에 농작물 생장에 적합한 농도의 희석 비료 용액과 물을 동시에 공급할 수 있다. 따라서 스마트 농장 시스템은 에너지 자립을 실현할 수 있으며, 농작물의 생장을 효율적으로 도울 수 있어, 물-에너지-식량 넥서스 문제를 해결할 수 있다. 스마트 농장 시스템은 스마트 농장 프랜차이즈 사업, 친환경 도시, 항노화가 기능화된 도시, 대규모 친환경 물-에너지-폐기물 자립형 스마트 도시 등에 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 스마트 농장 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 스마트 농장 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 스마트 농장 시스템의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 스마트 농장 시스템의 구성도이다.
도 5는 도 1에 도시한 스마트 농장 시스템 중 화학 비료 성분의 종류 및 구성에 따른 염분차 발전기의 에너지 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 1에 도시한 스마트 농장 시스템 중 염분차 발전기의 개회로 전압(Open Circuit Voltage, OCV)을 나타낸 그래프이다.
도 7은 도 1에 도시한 스마트 농장 시스템 중 화학 비료 성분을 이용한 염분차 발전기의 담수 유량 변화에 따른 에너지 밀도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 도 1에 도시한 스마트 농장 시스템 중 폐 커피 용액을 농축 비료 용액으로 사용하고 민물을 담수로 사용한 염분차 발전기의 에너지 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 9는 도 1에 도시한 스마트 농장 시스템 중 KNO3를 농축 비료 용액으로 사용하고 폐 커피 용액을 담수로 사용한 염분차 발전기의 에너지 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 스마트 농장 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 스마트 농장 시스템의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 스마트 농장 시스템의 구성도이다.
도 5는 도 1에 도시한 스마트 농장 시스템 중 화학 비료 성분의 종류 및 구성에 따른 염분차 발전기의 에너지 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 1에 도시한 스마트 농장 시스템 중 염분차 발전기의 개회로 전압(Open Circuit Voltage, OCV)을 나타낸 그래프이다.
도 7은 도 1에 도시한 스마트 농장 시스템 중 화학 비료 성분을 이용한 염분차 발전기의 담수 유량 변화에 따른 에너지 밀도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 도 1에 도시한 스마트 농장 시스템 중 폐 커피 용액을 농축 비료 용액으로 사용하고 민물을 담수로 사용한 염분차 발전기의 에너지 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 9는 도 1에 도시한 스마트 농장 시스템 중 KNO3를 농축 비료 용액으로 사용하고 폐 커피 용액을 담수로 사용한 염분차 발전기의 에너지 밀도를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 스마트 농장 시스템의 구성도이다.
도 1을 참고하면, 제1 실시예의 스마트 농장 시스템(100)은 농작물 재배가 이루어지는 농장 시설(10)과, 담수와 농축 비료 용액을 이용하여 발전하는 염분차 발전기(20)와, 전기를 저장하는 에너지 저장부(30)를 포함한다. 염분차 발전기(20)는 담수 공급부(41) 및 농축 비료 용액 공급부(42)와 연결되고, 모니터링부(50)에 의해 제어된다. 염분차 발전기(20)와 농장 시설(10) 사이에 희석 비료 용액 공급부(60)가 위치한다.
농장 시설(10)은 일반적인 개방형 농장 시설이거나, 온실과 같은 건축물일 수 있다. 농장 시설(10)은 온도, 습도, 광량, 풍향, 풍속, 식물 성장 등을 감지하는 각종 센서들 중 적어도 하나를 포함하는 센서부(11)와, 농장 시설(10)의 운용을 위한 전자기계 장치(12)를 포함한다.
센서부(11)는 토양에 부착되어 습도, 온도, pH, 영양도 등을 감지하는 센서와, 온실 내부의 광량을 감지하는 센서와, 농작물에 부착되어 농작물의 성장을 모니터링하는 센서 등을 포함할 수 있다. 전자기계 장치(12)는 온도 조절을 위한 냉/난방기와, 환기를 위한 배기 팬과, 관수 제어를 위한 기계 등을 포함할 수 있다.
담수 공급부(41)는 담수원으로부터 얻은 담수를 이송하는 제1 배관(L1)과, 제1 배관(L1)에 설치된 제1 펌프(P1)를 포함할 수 있다. 담수원은 지하수, 수도물, 하수 방류수, 강물, 및 저수지 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
농축 비료 용액 공급부(42)는 농축 비료 용액원으로부터 얻은 농축 비료 용액을 이송하는 제2 배관(L2)과, 제2 배관(L2)에 설치된 제2 펌프(P2)를 포함할 수 있다. 농축 비료 용액은 인공 비료 또는 비인공 비료이며, 농도가 1wt% 내지 50wt% 범위에 속하는 고농축 비료 용액이다.
인공 비료는 일반적인 화학 비료로서, NH4NO3, NH4Cl, Ca(NO3)2, NH4H2PO4, NaNO3, KNO3, (NH4)2SO4, KH2PO4, (NH4)2HPO4, K2SO4, 및 KCl 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 비인공 비료는 폐 커피 추출액, 깻묵 발효액, 청초액비, 솎음열배 이용 발효액, 청초깻묵액비, 당밀액비, 막거리액비, 발효액비, 한방액비, 달걀껍질 이용 칼슘액비, 김치액비, 우유액비, 미생물액비, 생선액비, 및 기타 유기액비 등을 포함할 수 있다.
농축 비료 용액은 고농도로 인해 농작물에 바로 공급할 수 없으며, 희석하여 농작물에 공급해야 한다. 염분차 발전기(20)는 제1 및 제2 배관(L1, L2)에 연결되어 담수와 농축 비료 용액을 공급받고, 담수와 농축 비료 용액의 농도차를 이용하여 전기를 생산하며, 희석 비료 용액을 배출하여 농작물에 공급한다.
염분차 발전기(20)는 압력지연삼투(Pressure Retarded Osmosis, PRO) 장치와 역전기투석(Reverse ElectroDialysis, RED) 장치 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
압력지연삼투 장치는 삼투막을 경계로 담수와 염수를 교차할 때 담수 측의 수분이 삼투막을 통과하여 염수 측으로 이동하고, 이에 따른 염수 측의 압력 증가를 이용하여 발전 터빈을 구동시킴으로써 전기를 생산하는 장치이다. 압력지연삼투 장치로는 본 출원인에 의해 출원되고 등록된 한국등록특허 제7458429호에 개시된 장치를 예로 들 수 있으며, 다양한 구성의 압력지연삼투 장치가 적용 가능하다.
역전기투석 장치는 양이온 교환막과 음이온 교환막이 번갈아 배열된 셀 스택과, 셀 스택의 양쪽 끝에 배치된 전극(산화 전극과 환원 전극)을 포함한다. 셀 스택에 담수와 염수가 공급되면, 염수의 음이온이 산화 전극 측으로 이동하고, 염수의 양이온이 환원 전극 측으로 이동하면서 전위차가 발생하며, 전극 상에서 산화환원 반응에 의해 전자의 흐름이 생기면서 발전이 이루어진다.
염분차 발전기(20)에서 생산된 전기는 에너지 저장부(30)에 모두 저장되거나, 에너지 저장부(30)와 농장 시설(10)에 나누어 공급될 수 있다. 에너지 저장부(30)는 염분차 발전기(20)에서 생산된 전기를 저장하고, 센서부(11)와 전자기계 장치(12) 및 모니터링부(50)에 전기를 공급한다. 염분차 발전기(20)는 담수와 농축 비료 용액의 큰 농도차로 인해 농장 시설의 운용에 필요한 충분한 양의 전기를 생산할 수 있다.
모니터링부(50)는 센서부(11) 및 염분차 발전기(20)와 전기적으로 연결되며, 미리 설정된 프로그램에 의해 센서부(11)의 감지 신호에 따라 염분차 발전기(20)의 구동을 제어한다. 구체적으로, 모니터링부(50)는 제1 펌프(P1) 및 제2 펌프(P2)와 전기적으로 연결될 수 있고, 제1 펌프(P1)와 제2 펌프(P2)의 작동을 제어하여 염분차 발전기(20)로 공급되는 담수와 농축 비료 용액의 유량을 정밀하게 제어할 수 있다.
희석 비료 용액 공급부(60)는 염분차 발전기(20)에서 배출된 희석 비료 용액을 농장 시설(10)의 농작물로 이송한다. 희석 비료 용액 공급부(60)는 염분차 발전기(20)와 농장 시설(10)에 연결 설치된 제3 배관(L3)과, 제3 배관(L3)에 설치된 농도 측정기(61) 및 삼방향 밸브(62)와, 삼방향 밸브(62)의 제2 출구(OP2)와 제2 배관(L2)에 연결 설치된 제4 배관(L4)을 포함할 수 있다.
삼방향 밸브(62)는 희석 비료 용액이 유입되는 입구(IP)와, 농장 시설(10)을 향하는 제1 출구(OP1)와, 제4 배관(L4)에 접속된 제2 출구(OP2)를 포함한다. 삼방향 밸브(62)는 농도 측정기(61)의 측정 결과에 따라 제1 출구(OP1)와 제2 출구(OP2) 중 어느 하나가 개방되어 희석 비료 용액의 공급 방향을 제어한다.
예를 들어, 모니터링부(50)에는 농작물마다 최적의 농도 범위가 미리 설정되어 있고, 농도 측정기(61)는 제3 배관(L3)을 흐르는 희석 비료 용액의 농도를 측정하여 측정 신호를 모니터링부(50)에 출력할 수 있다.
모니터링부(50)는 측정 신호를 설정 범위와 비교하여 측정 신호가 설정 범위를 만족할 때 삼방향 밸브(62)의 제1 출구(OP1)를 개방하여 희석 비료 용액이 농작물에 공급되도록 할 수 있다. 한편, 모니터링부(50)는 측정 신호가 설정 범위를 만족하지 않을 때 삼방향 밸브(62)의 제2 출구(OP2)를 개방하여 희석 비료 용액을 제2 배관(L2)으로 이송할 수 있다. 제2 배관(L2)으로 이송된 희석 비료 용액은 농축 비료 용액과 섞여 염분차 발전기(20)로 다시 공급된다.
제1 실시예의 스마트 농장 시스템(100)은 담수와 농축 비료 용액의 농도차를 이용하여 전기를 생산함과 동시에 농작물 생장에 적합한 농도의 희석 비료 용액을 얻을 수 있다. 따라서 제1 실시예의 스마트 농장 시스템(100)은 에너지 자립을 실현할 수 있으며, 농작물의 생장을 효과적으로 도울 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 스마트 농장 시스템의 구성도이다.
도 2를 참고하면, 제2 실시예의 스마트 농장 시스템(200)은 전술한 제1 실시예의 구성을 기본으로 하면서 염분차 발전기(20)의 전단에 위치하는 정삼투 유닛(70)을 더 포함한다. 정삼투 유닛(70)은 반투과막(71)에 의해 분리된 제1 유로(CH1)와 제2 유로(CH2)를 포함한다.
담수 공급부(41)는 담수원으로부터 얻은 담수를 염분차 발전기(20)로 이송하는 제1 배관(L1)과, 제1 배관(L1)에 설치된 제1 펌프(P1)와, 담수원으로부터 얻은 담수를 정삼투 유닛(70)의 제2 유로(CH2)에 공급하는 제5 배관(L5)과, 제5 배관(L5)에 설치된 제3 펌프(P3)를 포함할 수 있다.
농축 비료 용액 공급부(42)는 농축 비료 용액원으로부터 얻은 농축 비료 용액을 정삼투 유닛(70)의 제1 유로(CH1)에 공급하는 제2 배관(L2)과, 제2 배관(L2)에 설치된 제2 펌프(P2)를 포함할 수 있다.
정삼투 유닛(70)의 제1 유로(CH1)에 농축 비료 용액이 공급되고, 제2 유로(CH2)에 담수가 공급되면, 농축 비료 용액과 담수의 삼투압에 의해 담수에 포함된 물이 반투과막(71)을 통과하여 제1 유로(CH1)로 이동한다. 그 결과 제1 유로(CH1)의 출구로 1차 희석 비료 용액이 배출되고, 제2 유로(CH2)의 출구로 담수가 배출된다.
제1 유로(CH1)에서 배출된 1차 희석 비료 용액은 염분차 발전기(20)로 공급되고, 제2 유로(CH2)에서 배출된 담수는 제1 배관(L1)으로 이송되어 다시 염분차 발전기(20)에 공급된다. 염분차 발전기(20)는 담수와 1차 희석 비료 용액의 농도차를 이용하여 전기를 생산하며, 2차 희석 비료 용액을 배출하여 농작물에 공급한다.
농도 측정기(61)는 2차 희석 비료 용액의 농도를 측정하고, 측정 농도가 설정 범위를 만족하면 삼방향 밸브(62)의 제1 출구(OP1)가 개방되어 2차 희석 비료 용액이 농작물로 공급된다. 반대로 측정 농도가 설정 범위를 만족하지 않으면 삼방향 밸브(62)의 제2 출구(OP2)가 개방되고, 2차 희석 비료 용액은 제2 배관(L2)으로 이송되어 농축 비료 용액과 섞인 후 다시 정삼투 유닛(70)에 공급된다.
모니터링부(50)는 센서부(11)와 염분차 발전기(20) 및 정삼투 유닛(70)에 전기적으로 연결되며, 미리 설정된 프로그램에 의해 센서부(11)의 감지 신호에 따라 염분차 발전기(20)와 정삼투 유닛(70)의 구동을 제어한다.
구체적으로, 모니터링부(50)는 제1 펌프 내지 제3 펌프(P1, P2, P3)에 전기적으로 연결될 수 있다. 모니터링부(50)는 제2 펌프(P2)와 제3 펌프(P3)의 작동을 제어하여 정삼투 유닛(70)으로 공급되는 농축 비료 용액과 담수의 유량을 정밀하게 제어할 수 있다. 또한, 모니터링부(50)는 정삼투 유닛(70)의 제1 유로(CH1)에서 배출되는 1차 희석 비료 용액의 유량에 따라 제1 펌프(P1)의 작동을 제어하여 염분차 발전기(20)로 공급되는 담수의 유량을 정밀하게 제어할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 스마트 농장 시스템의 구성도이다.
도 3을 참고하면, 제3 실시예의 스마트 농장 시스템은 정삼투 유닛(70)이 염분차 발전기(20)의 후단에 위치하는 것을 제외하고 전술한 제2 실시예와 유사한 구성으로 이루어진다. 정삼투 유닛(70)은 반투과막(71)에 의해 분리된 제1 유로(CH1)와 제2 유로(CH2)를 포함한다.
담수 공급부(41)는 담수원으로부터 얻은 담수를 염분차 발전기(20)로 이송하는 제1 배관(L1)과, 제1 배관(L1)에 설치된 제1 펌프(P1)와, 담수원으로부터 얻은 담수를 정삼투 유닛(70)의 제2 유로(CH2)에 공급하는 제5 배관(L5)과, 제5 배관(L5)에 설치된 제3 펌프(P3)를 포함할 수 있다.
농축 비료 용액 공급부(42)는 농축 비료 용액원으로부터 얻은 농축 비료 용액을 염분차 발전기(20)에 공급하는 제2 배관(L2)과, 제2 배관(L2)에 설치된 제2 펌프(P2)를 포함할 수 있다.
염분차 발전기(20)는 담수와 농축 비료 용액의 농도차를 이용하여 전기를 생산하고, 1차 희석 비료 용액을 배출하여 정삼투 유닛(70)의 제1 유로(CH1)에 공급한다. 정삼투 유닛(70)에서는 1차 희석 비료 용액과 담수의 삼투압에 의해 담수에 포함된 물이 반투과막(71)을 통과하여 제1 유로(CH1)로 이동한다. 그 결과 제1 유로(CH1)의 출구로 2차 희석 비료 용액이 배출되고, 제2 유로(CH2)의 출구로 담수가 배출된다.
제1 유로(CH1)에서 배출된 2차 희석 비료 용액은 농장 시설의 농작물로 공급되고, 제2 유로(CH2)에서 배출된 담수는 제5 배관(L5)으로 이송되어 다시 정삼투 유닛(70)에 공급된다.
농도 측정기(61)는 2차 희석 비료 용액의 농도를 측정하고, 측정 농도가 설정 범위를 만족하면 삼방향 밸브(62)의 제1 출구(OP1)가 개방되어 2차 희석 비료 용액이 농작물로 공급된다. 반대로 측정 농도가 설정 범위를 만족하지 않으면 삼방향 밸브(62)의 제2 출구(OP2)가 개방되고, 2차 희석 비료 용액은 제2 배관(L2)으로 이송되어 농축 비료 용액과 섞인 후 다시 염분차 발전기(20)에 공급된다.
모니터링부(50)는 센서부(11)와 염분차 발전기(20) 및 정삼투 유닛(70)에 전기적으로 연결되며, 미리 설정된 프로그램에 의해 센서부(11)의 감지 신호에 따라 염분차 발전기(20)와 정삼투 유닛(70)의 구동을 제어한다.
구체적으로, 모니터링부(50)는 제1 펌프 내지 제3 펌프(P1, P2, P3)에 전기적으로 연결될 수 있다. 모니터링부(50)는 제1 펌프(P1)와 제2 펌프(P2)의 작동을 제어하여 염분차 발전기(20)로 공급되는 담수와 농축 비료 용액의 유량을 정밀하게 제어할 수 있다. 또한, 모니터링부(50)는 염분차 발전기(20)에서 배출되는 1차 희석 비료 용액의 유량에 따라 제3 펌프(P3)의 작동을 제어하여 정삼투 유닛(70)으로 공급되는 담수의 유량을 정밀하게 제어할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 스마트 농장 시스템의 구성도이다.
도 4를 참고하면, 제4 실시예의 스마트 농장 시스템은 전술한 제1 실시예의 구성을 기본으로 하면서 두 개의 염분차 발전기(20A, 20B)를 포함하며, 염수 공급부(43)와 정삼투 유닛(70)을 더 포함한다. 두 개의 염분차 발전기(20A, 20B)는 제1 염분차 발전기(20A)와 제2 염분차 발전기(20B)를 포함한다.
염수 공급부(43)는 염수원으로부터 얻은 염수를 이송하는 제6 배관(L6)과, 제6 배관(L6)에 설치된 제4 펌프(P4)를 포함할 수 있다. 염수원은 산업 폐염수, 해수, 및 인공 염수 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 염수의 농도는 담수의 농도보다 높고, 농축 비료 용액의 농도보다 낮다. 염수의 농도는 대략 2wt% 내지 7wt%의 범위에 속할 수 있다.
정삼투 유닛(70)은 반투과막(71)에 의해 분리된 제1 유로(CH1)와 제2 유로(CH2)를 포함한다. 농축 비료 용액 공급부(42)의 제2 배관(L2)은 정삼투 유닛(70)의 제1 유로(CH1)에 연결되고, 염수 공급부(43)의 제6 배관(L6)은 정삼투 유닛(70)의 제2 유로(CH2)에 연결된다.
정삼투 유닛(70)의 제1 유로(CH1)에 농축 비료 용액이 공급되고, 제2 유로(CH2)에 염수가 공급되면, 농축 비료 용액과 염수의 삼투압에 의해 염수에 포함된 물이 반투과막(71)을 통과하여 제1 유로(CH1)로 이동한다. 그 결과 제1 유로(CH1)의 출구로 1차 희석 비료 용액이 배출되고, 제2 유로(CH2)의 출구로 농축 염수가 배출된다.
담수 공급부(41)는 담수원과 연결된 제1 배관(L1)과, 제1 배관(L1)으로부터 분기된 제1 분기관(L11) 및 제2 분기관(L12)과, 제1 배관(L1)에 설치된 제1 펌프(P1)와, 제1 분기관(L11)에 설치된 제1 밸브(V1)와, 제2 분기관(L12)에 설치된 제2 밸브(V2)를 포함할 수 있다. 제1 분기관(L11)은 제1 염분차 발전기(20A)에 연결되고, 제2 분기관(L12)은 제2 염분차 발전기(20B)에 연결된다.
담수 공급부(41)의 구성은 전술한 예시로 한정되지 않으며, 제1 및 제2 염분차 발전기(20A, 20B)로 담수를 나누어 공급할 수 있는 구성이면 모두 적용 가능하다.
제1 염분차 발전기(20A)는 제1 배관(L1) 및 제1 분기관(L11)으로부터 담수를 공급받고, 정삼투 유닛(70)에서 배출된 농축 염수를 공급받으며, 담수와 농축 염수의 농도차에 의해 전기를 생산한다. 제1 염분차 발전기(20A)는 희석 염수를 배출하며, 희석 염수는 다시 염수원으로 공급될 수 있다.
제2 염분차 발전기(20B)는 제1 배관(L1) 및 제2 분기관(L12)으로부터 담수를 공급받고, 정삼투 유닛(70)에서 배출된 1차 희석 비료 용액을 공급받으며, 담수와 1차 희석 비료 용액의 농도차에 의해 전기를 생산한다. 제2 염분차 발전기(20B)는 2차 희석 비료 용액을 배출하며, 2차 희석 비료 용액은 농장 시설(10)의 농작물로 공급된다.
농도 측정기(61)는 2차 희석 비료 용액의 농도를 측정하고, 측정 농도가 설정 범위를 만족하면 삼방향 밸브(62)의 제1 출구(OP1)가 개방되어 2차 희석 비료 용액이 농작물로 공급된다. 반대로 측정 농도가 설정 범위를 만족하지 않으면 삼방향 밸브(62)의 제2 출구(OP2)가 개방되고, 2차 희석 비료 용액은 제2 배관(L2)으로 이송되어 농축 비료 용액과 섞인 후 다시 정삼투 유닛(70)으로 공급된다.
에너지 저장부(30)는 제1 및 제2 염분차 발전기(20A, 20B)에서 생산된 전기를 저장하고, 센서부(11)와 전자기계 장치(12) 및 모니터링부(50)에 전기를 공급한다. 모니터링부(50)는 센서부(11), 정삼투 유닛(70), 제1 및 제2 염분차 발전기(20A, 20B)에 전기적으로 연결되며, 미리 설정된 프로그램에 의해 센서부(11)의 감지 신호에 따라 제1 및 제2 염분차 발전기(20A, 20B)와 정삼투 유닛(70)의 구동을 제어한다.
구체적으로, 모니터링부(50)는 제1 펌프(P1), 제2 펌프(P2), 제4 펌프(P4), 제1 밸브(V1), 및 제2 밸브(V2)에 전기적으로 연결될 수 있다. 모니터링부(50)는 제2 펌프(P2)와 제4 펌프(P4)의 작동을 제어하여 정삼투 유닛(70)으로 공급되는 농축 비료 용액과 염수의 유량을 정밀하게 제어할 수 있다.
모니터링부(50)는 정삼투 유닛(70)에서 배출되는 농축 염수의 유량에 따라 제1 펌프(P1)와 제1 밸브(V1)의 작동을 제어하여 제1 염분차 발전기(20A)로 공급되는 담수의 유량을 정밀하게 제어할 수 있다. 또한, 모니터링부(50)는 정삼투 유닛(70)에서 배출되는 1차 희석 비료 용액의 유량에 따라 제1 펌프(P1)와 제2 밸브(V2)의 작동을 제어하여 제2 염분차 발전기(20B)로 공급되는 담수의 유량을 정밀하게 제어할 수 있다.
제4 실시예의 스마트 농장 시스템(400)은 정삼투 유닛(70)과 제2 염분차 발전기(20B)를 이용하여 농작물로 공급되는 비료 용액의 농도를 조절할 수 있으며, 제1 및 제2 염분차 발전기(20A, 20B)를 이용하여 농장 시설의 에너지 자립을 실현할 수 있다.
전술한 제1 실시예 내지 제4 실시예의 스마트 농장 시스템(100, 200, 300, 400)은 스마트 농장 프랜차이즈 사업, 친환경 도시, 항노화가 기능화된 도시, 대규모 친환경 물-에너지-폐기물 자립형 스마트 도시, 대규모 친환경 물-에너지-식량 자립형 스마트 도시 등에 적용될 수 있다.
하기 표 1에 비료 용액의 종류에 따른 농도별 삼투압을 나타내었다.
| 1M | 2M | 3M | 4M | 5M | |
| NH4NO3 | 37 | 60 | 98 | 125 | 160 |
| NH4Cl | 44 | 90 | 140 | 180 | 235 |
| Ca(NO3)2 | 50 | 110 | 170 | 240 | 320 |
| NH4H2PO4 | 40 | 90 | 130 | 160 | 170 |
| NaNO3 | 43 | 75 | 119 | 154 | 196 |
| KNO3 | 40 | 60 | 80 | 100 | 105 |
| (NH4)2SO4 | 50 | 100 | 150 | 200 | 230 |
| KH2PO4 | 40 | 60 | 58 | 55 | 51 |
| (NH4)2HPO4 | 20 | 50 | 65 | 83 | 102 |
| K2SO4 | 30 | 29 | 28 | 27 | 26 |
| KCl | 50 | 80 | 130 | 180 | 230 |
KH2PO4 용액의 경우 농도가 높아질수록 삼투압이 상승 후 하강하는 경향을 보이며, K2SO4 용액의 경우 농도가 높아질수록 삼투압이 낮아지는 경향을 보인다. KH2PO4 용액과 K2SO4 용액을 제외한 나머지 비료 용액의 경우, 농도가 높아질수록 삼투압이 높아지는 경향을 보인다.
도 5와 도 6은 각각 도 1에 도시한 스마트 농장 시스템 중 화학 비료 성분의 종류 및 구성에 따른 염분차 발전기의 에너지 밀도와 개회로 전압(Open Circuit Voltage, OCV)을 나타낸 그래프이다.
실험에 사용된 농축 비료 용액의 농도는 0.5M이고, 염분차 발전기에 투입되는 농축 비료 용액과 담수의 유량은 모두 30cc/min이다. KNO3 비료 용액의 경우 가장 높은 출력 밀도를 보이며, NaNO3 농축 비료 용액의 경우 가장 높은 OCV를 보이고 있다. 여섯 가지 농축 비료 용액 모두에서 출력 밀도는 1.3W/m2 이상이며, OCV는 0.9V 이상이다.
도 7은 도 1에 도시한 스마트 농장 시스템 중 화학 비료 성분을 이용한 염분차 발전기의 담수 유량 변화에 따른 에너지 밀도를 나타낸 그래프이다.
실험에 사용된 농축 비료 용액은 1M의 KNO3 용액이며, 염분차 발전기에 투입되는 농축 비료 용액의 유량은 30cc/min이다. 염분차 발전기에 투입되는 담수의 유량을 10cc/min, 30cc/min, 50cc/min, 70cc/min로 변경하면서 에너지 밀도를 측정하였다. 실험 결과, 농축 비료 용액과 담수의 공급 유량이 30cc/min으로 동일할 때 2W/m2을 초과하는 최고의 출력 밀도를 나타낸다.
도 8은 도 1에 도시한 스마트 농장 시스템 중 폐 커피 용액을 농축 비료 용액으로 사용하고 민물을 담수로 사용한 염분차 발전기의 에너지 밀도를 나타낸 그래프이다.
실험에 사용된 농축 비료 용액은 커피 폐기물로부터 추출한 농축 비료 용액이며, 대략 3mS/cm의 전기 전도도를 가진다. 실험에 사용된 담수는 일반적인 민물이며, 대략 0.0053mS/cm의 전기 전도도를 가진다. 염분차 발전기에 투입되는 농축 비료 용액의 유량과 담수의 유량은 모두 30cc/min이다. 실험 결과, 염분차 발전기는 0.3W/m2을 초과하는 출력 밀도를 나타낸다.
도 9는 도 1에 도시한 스마트 농장 시스템 중 KNO3를 농축 비료 용액으로 사용하고 폐 커피 용액을 담수로 사용한 염분차 발전기의 에너지 밀도를 나타낸 그래프이다.
실험에 사용된 농축 비료 용액은 0.5M의 KNO3 용액이며, 대략 55mS/cm의 전기 전도도를 가진다. 실험에 사용된 담수는 커피 폐기물로부터 추출한 용액이며, 대략 3mS/cm의 전기 전도도를 가진다. 염분차 발전기에 투입되는 농축 비료 용액과 담수의 유량은 모두 30cc/min이다. 실험 결과, 염분차 발전기는 0.04W/m2을 초과하는 출력 밀도를 나타낸다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100, 200, 300, 400: 스마트 농장 시스템
10: 농장 시설 11: 센서부
12: 전자기계 장치 20: 염분차 발전기
20A: 제1 염분차 발전기 20B: 제2 염분차 발전기
30: 에너지 저장부 41: 담수 공급부
42: 농축 비료 용액 공급부 43: 염수 공급부
50: 모니터링부 60: 희석 비료 용액 공급부
61: 농도 측정기 62: 삼방향 밸브
70: 정삼투 유닛
10: 농장 시설 11: 센서부
12: 전자기계 장치 20: 염분차 발전기
20A: 제1 염분차 발전기 20B: 제2 염분차 발전기
30: 에너지 저장부 41: 담수 공급부
42: 농축 비료 용액 공급부 43: 염수 공급부
50: 모니터링부 60: 희석 비료 용액 공급부
61: 농도 측정기 62: 삼방향 밸브
70: 정삼투 유닛
Claims (21)
- 농작물 재배가 이루어지며, 농작물 재배를 위한 센서부와 전자기계 장치를 포함하는 농장 시설;
담수와 농축 비료 용액을 공급받아 상기 담수와 상기 농축 비료 용액의 농도차를 이용하여 발전하고, 희석 비료 용액을 배출하여 상기 농작물에 공급하는 염분차 발전기; 및
상기 염분차 발전기에서 생산된 전기를 저장하고, 상기 센서부와 상기 전자기계 장치에 전기를 공급하는 에너지 저장부
를 포함하는 스마트 농장 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 염분차 발전기에서 배출되는 상기 희석 비료 용액의 농도에 따라 상기 농작물에 대한 상기 희석 비료 용액의 공급을 제어하는 희석 비료 용액 공급부를 더 포함하는 스마트 농장 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 희석 비료 용액 공급부는 농도 측정기와 삼방향 밸브를 포함하며,
상기 삼방향 밸브는 상기 농도 측정기의 측정 결과에 따라 두 개의 출구 중 어느 하나를 개방하여 상기 희석 비료 용액을 상기 농작물에 공급하거나, 상기 염분차 발전기 전단의 상기 농축 비료 용액으로 공급하는 스마트 농장 시스템. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 염분차 발전기 및 상기 센서부와 전기적으로 연결되며, 상기 센서부의 감지 신호에 따라 상기 염분차 발전기의 구동을 제어하는 모니터링부를 더 포함하는 스마트 농장 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 담수의 공급을 위한 제1 펌프와, 상기 농축 비료 용액의 공급을 위한 제2 펌프를 더 포함하며,
상기 모니터링부는 상기 제1 펌프와 상기 제2 펌프의 구동을 제어하여 상기 염분차 발전기에 공급되는 상기 담수와 상기 농축 비료 용액의 유량을 제어하는 스마트 농장 시스템. - 농작물 재배가 이루어지며, 농작물 재배를 위한 센서부와 전자기계 장치를 포함하는 농장 시설;
반투과막에 의해 분리된 두 개의 유로에 담수와 농축 비료 용액을 흘리고, 1차 희석 비료 용액을 배출하는 정삼투 유닛;
담수와 상기 1차 희석 비료 용액을 공급받아 상기 담수와 상기 1차 희석 비료 용액의 농도차를 이용하여 발전하고, 2차 희석 비료 용액을 배출하여 상기 농작물에 공급하는 염분차 발전기; 및
상기 염분차 발전기에서 생산된 전기를 저장하고, 상기 센서부와 상기 전자기계 장치에 전기를 공급하는 에너지 저장부
를 포함하는 스마트 농장 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 염분차 발전기에서 배출되는 상기 2차 희석 비료 용액의 농도에 따라 상기 농작물에 대한 상기 2차 희석 비료 용액의 공급을 제어하는 희석 비료 용액 공급부를 더 포함하는 스마트 농장 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 희석 비료 용액 공급부는 농도 측정기와 삼방향 밸브를 포함하며,
상기 삼방향 밸브는 상기 농도 측정기의 측정 결과에 따라 두 개의 출구 중 어느 하나를 개방하여 상기 2차 희석 비료 용액을 상기 농작물에 공급하거나, 상기 정삼투 유닛 전단의 상기 농축 비료 용액으로 공급하는 스마트 농장 시스템. - 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 정삼투 유닛과 상기 염분차 발전기 및 상기 센서부와 전기적으로 연결되며, 상기 센서부의 감지 신호에 따라 상기 정삼투 유닛과 상기 염분차 발전기의 구동을 제어하는 모니터링부를 더 포함하는 스마트 농장 시스템. - 제9항에 있어서,
상기 염분차 발전기의 상기 담수 공급을 위한 제1 펌프와, 상기 정삼투 유닛의 상기 농축 비료 용액 공급을 위한 제2 펌프와, 상기 정삼투 유닛의 상기 담수 공급을 위한 제3 펌프를 더 포함하며,
상기 모니터링부는 상기 제2 펌프와 상기 제3 펌프의 구동을 제어하여 상기 정삼투 유닛에 공급되는 상기 농축 비료 용액과 상기 담수의 유량을 제어하고, 상기 정삼투 유닛에서 배출되는 상기 1차 희석 비료 용액의 유량에 따라 상기 제1 펌프의 구동을 제어하여 상기 염분차 발전기에 공급되는 상기 담수의 유량을 제어하는 스마트 농장 시스템. - 농작물 재배가 이루어지며, 농작물 재배를 위한 센서부와 전자기계 장치를 포함하는 농장 시설;
담수와 농축 비료 용액을 공급받아 상기 담수와 상기 농축 비료 용액의 농도차를 이용하여 발전하고, 1차 희석 비료 용액을 배출하는 염분차 발전기;
반투과막에 의해 분리된 두 개의 유로에 담수와 상기 1차 희석 비료 용액을 흘리고, 상기 1차 희석 비료 용액보다 낮은 농도의 2차 희석 비료 용액을 배출하여 상기 농작물에 공급하는 정삼투 유닛; 및
상기 염분차 발전기에서 생산된 전기를 저장하고, 상기 센서부와 상기 전자기계 장치에 전기를 공급하는 에너지 저장부
를 포함하는 스마트 농장 시스템. - 제11항에 있어서,
상기 정삼투 유닛에서 배출되는 상기 2차 희석 비료 용액의 농도에 따라 상기 농작물에 대한 상기 2차 희석 비료 용액의 공급을 제어하는 희석 비료 용액 공급부를 더 포함하는 스마트 농장 시스템. - 제12항에 있어서,
상기 희석 비료 용액 공급부는 농도 측정기와 삼방향 밸브를 포함하며,
상기 삼방향 밸브는 상기 농도 측정기의 측정 결과에 따라 두 개의 출구 중 어느 하나를 개방하여 상기 2차 희석 비료 용액을 상기 농작물에 공급하거나, 상기 염분차 발전기 전단의 상기 농축 비료 용액으로 공급하는 스마트 농장 시스템. - 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 염분차 발전기와 상기 정삼투 유닛 및 상기 센서부와 전기적으로 연결되며, 상기 센서부의 감지 신호에 따라 상기 염분차 발전기와 상기 정삼투 유닛의 구동을 제어하는 모니터링부를 더 포함하는 스마트 농장 시스템. - 제14항에 있어서,
상기 염분차 발전기의 상기 담수 공급을 위한 제1 펌프와, 상기 염분차 발전기의 상기 농축 비료 용액 공급을 위한 제2 펌프와, 상기 정삼투 유닛의 상기 담수 공급을 위한 제3 펌프를 더 포함하며,
상기 모니터링부는 상기 제1 펌프와 상기 제2 펌프의 구동을 제어하여 상기 염분차 발전기에 공급되는 상기 담수와 상기 농축 비료 용액의 유량을 제어하고, 상기 염분차 발전기에서 배출되는 상기 1차 희석 비료 용액의 유량에 따라 상기 제3 펌프의 구동을 제어하여 상기 정삼투 유닛에 공급되는 상기 담수의 유량을 제어하는 스마트 농장 시스템. - 농작물 재배가 이루어지며, 농작물 재배를 위한 센서부와 전자기계 장치를 포함하는 농장 시설;
반투과막에 의해 분리된 두 개의 유로에 염수와 농축 비료 용액을 흘리고, 농축 염수와 1차 희석 비료 용액을 배출하는 정삼투 유닛;
담수와 상기 농축 염수를 공급받아 상기 담수와 상기 농축 염수의 농도차를 이용하여 발전하는 제1 염분차 발전기;
담수와 상기 1차 희석 비료 용액을 공급받아 상기 담수와 상기 1차 희석 비료 용액의 농도차를 이용하여 발전하며, 상기 1차 희석 비료 용액보다 낮은 농도의 2차 희석 비료 용액을 배출하여 상기 농작물에 공급하는 제2 염분차 발전기; 및
상기 제1 염분차 발전기 및 상기 제2 염분차 발전기에서 생산된 전기를 저장하고, 상기 센서부와 상기 전자기계 장치에 전기를 공급하는 에너지 저장부
를 포함하는 스마트 농장 시스템. - 제16항에 있어서,
상기 제2 염분차 발전기에서 배출되는 상기 2차 희석 비료 용액의 농도에 따라 상기 농작물에 대한 상기 2차 희석 비료 용액의 공급을 제어하는 희석 비료 용액 공급부를 더 포함하는 스마트 농장 시스템. - 제17항에 있어서,
상기 희석 비료 용액 공급부는 농도 측정기와 삼방향 밸브를 포함하며,
상기 삼방향 밸브는 상기 농도 측정기의 측정 결과에 따라 두 개의 출구 중 어느 하나를 개방하여 상기 2차 희석 비료 용액을 상기 농작물에 공급하거나, 상기 정삼투 유닛 전단의 상기 농축 비료 용액으로 공급하는 스마트 농장 시스템. - 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 정삼투 유닛, 상기 제1 염분차 발전기, 상기 제2 염분차 발전기, 및 상기 센서부와 전기적으로 연결되며, 상기 센서부의 감지 신호에 따라 상기 정삼투 유닛과 상기 제1 염분차 발전기 및 상기 제2 염분차 발전기의 구동을 제어하는 모니터링부를 더 포함하는 스마트 농장 시스템. - 제19항에 있어서,
상기 담수 공급을 위한 제1 펌프와, 상기 제1 염분차 발전기 및 상기 제2 염분차 발전기 각각에 대한 상기 담수 공급 제어를 위한 제1 밸브 및 제2 밸브와, 상기 정삼투 유닛의 상기 농축 비료 용액 공급을 위한 제2 펌프와, 상기 정삼투 유닛의 상기 염수 공급을 위한 제4 펌프를 더 포함하는 스마트 농장 시스템. - 제20항에 있어서,
상기 모니터링부는 상기 제2 펌프와 상기 제4 펌프의 구동을 제어하여 상기 정삼투 유닛에 공급되는 상기 농축 비료 용액과 상기 염수의 유량을 제어하고, 상기 정삼투 유닛에서 배출되는 농축 염수의 유량에 따라 상기 제1 펌프와 상기 제1 밸브의 구동을 제어하여 상기 제1 염분차 발전기에 공급되는 상기 담수의 유량을 제어하며, 상기 정삼투 유닛에서 배출되는 상기 1차 희석 비료 용액의 유량에 따라 상기 제1 펌프와 상기 제2 밸브의 구동을 제어하여 상기 제2 염분차 발전기에 공급되는 상기 담수의 유량을 제어하는 스마트 농장 시스템.
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