高出力半導体発光素子による植物栽培の研究 利用統計を見る

高出力半導体発光素子による植物栽培の研究

著者

岡井 善四郎

雑誌名

技術報告集

巻

6 (2000年度)

ページ

73-78

発行年

2001-04

URL

http://hdl.handle.net/10098/7542

高出力半導体発光素子による植物栽培の研究

第三技術室システム制御技術班 岡井善四郎

1

.はじめに 過去二年間、土壌栽培にて半導体発光素子を栽培用光源として用い、太陽光や現在大半の植物工 場で使用されている高圧ナトリウムランプ、植物育成用蛍光ランプ等を照射しなくても、適当な赤 色と青色の光を与えることによって、これまで栽培した 5 種の葉菜類は遜色なく生育することが確 認できた。ただし栄養価の点ついては、まだサンプル不足で今後の課題である。 本年度は、①種まき植付けが簡単、②やさしくできて省力的、③施肥管理が有効に行える、④水 と肥料を効率よく使える、⑤清潔で環境にやさしい、⑥栽植密度を高くできる、⑦高い栄養価があ る、⑧連作障害がない、⑨無農薬で有機栽培である、⑮収穫量が多いといった、特徴を有している 水耕栽培を取り入れ閥、ステムレタス(レタスとセルリの用途をもっ、作りやすい茎レタス)の 栽培を行った。そして、昨年製作した LED パネルを光源としてて連続光とパノレス光照射で、の生 育の違いを乾物重量測定で調べた。このように、両者の生育を調べるに際して、主に③、⑥の特徴 を生かした水耕栽培は、土壌栽培より有利で正確な生育比較が可能である。また、使用した赤色 L ED パネルの光出力の変動を測定し、栽培実験に影響があるかどうかも調べた。

2

.

し ED パネル光源の光出力測定 LED を何らかの方法で冷却しなかった場合、 LED の温度上昇をきたし、光出力の低下が報 告されている九そこで実験に使用した赤色 LED パネルの光出力の変動を、 イ)連続光照射のとき、ファンで冷却した場合、冷却しなかった場合 ロ)パルス照射で明期比率 0.1 、 0.2 に設定し、同じくファンで冷却した場合、しなかった場合 について調べた。このときの室温は 19 "Cで、測定方法としては、フォトダイオード(浜松フォト ニクス S-1337) を LED パネルの真下に設置し、その出力を、デ、ジタルマルチメータ (sanwa

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から、コンビュータに取り組み、栽培の日長時間に合わせ、 12 時間モニターした。同時にデジタ ル温度計を LED の聞に設置し測定した。またデ、ジタルマルチメータで (iwatsu VOAC86) 、 1 F (順 方向電流)も測定した。

図1.は各々の条件での LED パネノレの光出力の時間変化を示している。

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明期比率0.2での出力光の変化 図 1.

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D パネルの光出力の時間変化 降下)特性が変化し 5) ， 6) 、 1 F が増加する。 1 F が増加すると、さらに可(接合部の温度)が高く なり 1 Fも増加し、そして温度上昇が落ち着き平衡状態になるまで増加している。その後は安定な 状態が続いている。 1 F の増加は 920mA

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1133mAであった。 冷却した場合は、温度上昇(1 9

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OC) がほとんどなく、光出力も安定している。 ロ)の冷却しなかった場合はパルス発光(明期比率 0.1 と 0.2) のため、温度上昇はほとんどなく 出力は電源を入れたときから、光出力の変動も少なく推移している。 今回の栽培実験ではすべて LED パネルをファンで冷却しているので、問題はなかった。 3. 栽培実験装置 水耕栽培用に適した特別な製品はなく、この研修では、簡易的に発砲スチロール製の保冷庫を 利用した。図 2. に示すように、鑑賞魚水槽用のエアーホンプで養液中に空気を送るようにした_。

-74-このとき発砲スチロールの底に鑑賞魚水槽用のエアーストーンを置き、空気を細かい泡状にして養 液全体に行き渡るようにした。これにより空気を送らない場合に比べて、はるかに栽培植物に効率 よく酸素が供給され、生育が促進された。それに養液の循環にも役立った。養液の温度は同じく鑑 賞魚水槽用に開発され、市販されている保温器具を使用した。保冷庫のふたの部分に径 3

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5cm

の穴をあけ、ここに栽培する植物を植え 付けた。養液に光が当たると藻が発生す るので、アルミホイルで、遮光した。 肥料は大塚化学株式会社から、水耕栽 培用肥料として f 大塚ハウス 1 号、 2 号」 が市販されており、それを適当な濃度に 薄めて使用した。 光源の条件として町B 比を 10: 1 に すること以外に、赤色を連続光とパノレス 光(明期比率 0.2) を照射した(連続光 と比べると光量的には 1/5 になったと 考えられる)。この場合連続光とパルス 光の尖頭値を同ーとした。 今回の実験のように赤色と青色 LED で植物を栽培する場合、 RIB 比が 10 もあれば、強い赤色

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図 2. 水耕栽培装置 照射だけで光合成の飽和領域に達しているはずあり、青色は飽和領域に達していない。よってこの ような条件下では赤色光のみパルス光が有効で、青色光は連続光でもよいといえる 7)。 4. 実験方法・結果 今回の栽培実験でも種まきからはじめた。 11 月にもなると寒い日は実験室の室温も 10 "cも下回 るようになり、発芽には好条件とはいえない。そこで発砲スチロールの保冷庫で簡単な発芽装置を 製作した。発砲スチロールの箱の中 に、 2

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3cm の高さに切った牛乳パ ックに水に溶けやすい紙を敷き、紙 に湿り気を与えその中に種を置い た。次にポリタンクに水を入れ、サ ーモスタット付きヒーターで 20 0 C 位に水温を維持した。この方法によ り、品種によっても異なるが、 4'""5 日で確実な発芽が得られた。 発芽して子葉が聞きかけた頃、幅 10cm 高さ 3cm 厚さ 3mm 程度のス ポンジで巻き(このときスポンジに 根の通り道をつけておく必要があ 図 3. リーフレタスの定植 F 可

る)今度は数 cm の高さに切った牛乳パックを用意し、濃度 1000 倍以上の薄い養液に浸した。 4 """"5 日後、細い根がスポンジの下から 2"""" 3cm 伸びた頃を見計らって、先ほど述べた水耕栽培装 置に、 6 本定植した。図 3. にその状態を示す。 栽培条件として、以下の 6 項目を定め栽培実験をはじめた。 養液の濃度:定植 3 週間目迄は 1000 倍液、生育が進み 4 週間目から 800 倍液。 養液の温度 照射光源 照射時間 室温 湿度 大塚ハウス 1 号 225g を 1500cc に溶かす。 2 号は 150g を 1500cc に溶 かす。これを原液として使用。 サーモスタット付きヒーターで 18 "cに保った。 連続照射とパルス(明期比率 0.2 パルス幅 2msec) 照射 タイマーで制御し、朝 6 時から夕方 6 時までの 12 時間 昼間で 18""""

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昼間 30%前後、夜間 50%前後

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で、 mg 単位まで測定した。図 4. に定植時から一週目、 2、 4、 5 週目までの生育の状態を示す。 また図 5. に連続光照射とパ ノレス光照射の場合の生育の違い を乾物重量で表した。まだ 1 回 の栽培実験しか行っていないの で確実とはいえないが、 このグ ラフを見る限りは、両者の生育 状態は若干の差は見受けられた が、測定誤差の範囲であり、ほ ぼ閉じような生育を示した。こ れは連続光とパルス光の尖頭値 を閉じに設定したためと思われ る。すなわち光合成は光のエネ

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msec のパルス幅で、十分明反応が行われた ものと思う。

まとめ

水耕栽培を取り入れたところ、思った以上に生育が良かった。そして昨年の土壌栽培よりいくつ かの点で栽培管理の省力化ができた。なによりもメリットがあったことは、栽植密度を高くするこ とができたので、実験のサンプルが土壌栽培より 3 倍以上多く栽培できた長である。地下部の温度 も養液なのでサーモスタット付きヒーターの使用により、温度管理もたやすく、生育状態の比較の

5.

精度向上に役立てることが出来た。 栽培植物に与える光をパルス光で、も、連続照射と同じように生育することが、今回の栽培実験 でほぼ確認できた。すなわち、明期比率 0.2 から 0.1 にした場合でも連続照射と閉じ生育が行われ

るとすれば、光量、消費電力とも少なくすることが可能で、省エネにつながる。また LED をはじ めとする半導体発光素子の長寿命化にも貢献できるとともに、 j頓電流を連続の時より何倍も多く流 すことが可能なので、パルスの尖頭値を高くでき、光合成の効率が高まり生育を早めることができ る。これらは半導体発光素子が他の光源にはない特徴といえる。また、青色の LED も昨年までは 1 個 200 円していたのが、需要の増加により、今年度は 95 円と値下がりしてきており、これらの点 も植物工場にとって非常に有利な点で、ある。

6. 今後の課題

( 1 _{)照射光源(赤色 LED) の明期比率をパラメータとして、リーフレタスの生育状態を連続} 光の場合と比較し、生育と明期比率の関係を詳しく調べる。また日長時間を 12 時聞からそれ以上 に増加して生育状態調べ、最適栽培条件を見出す。 (2) 光量の増大を図り、まだ栽培報告がなされていない果菜類(トマト・ナス・ピーマン)の 栽培を試み、最適栽培条件を見出す。 (3) 栽培数量を増加して、ビタミン等栄養価の点に重点をおき、露地栽培との比較を行う。

7. 謝辞

この研修を行うにあたって深いご理解を賜り、また快く実験室の一部を提供していただいた 量子エレクトロニクス研究室の北嶋巌教授、仁木秀明助教授のお二人に深く感謝したします。

8. 参考文献

1) 矢野謙介;水栽培野菜づく りの愉しみ，グラフィックス社 (1999) 2) 並木隆和訳;野菜の水耕栽培(1 993) 3) 岡井善四郎; (日常研修)半導体レーザーの応用技術 (ll) ，福井大学技術部技術報告集，

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5) 谷善平;改定オプトデバイス応用のテクニック， CQ 出版社(1 992) 6) 清水当;光エレクトロニクスの基礎と活用法， CQ 出版社 (1999) 7) 高辻正基，山中正宣;レーザー植物工場の可能性(JOURNAL

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10) 伊藤道也，他 5 名;光と物質，放送大学教育振興会 (2000)

11) 田中史宏，渡辺博之; LED の植物栽培への適用，

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12) 高辻正基;植物工場ノ、ンドブック，東海大学出版会 (1997)

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