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제목 식물공장과 LED 조명의 과학적 고찰
작성자 운영자 (ip:)
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  • 작성일 2010-12-18 02:21:45
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  • 조회수 1384

 KAST 친환경농업기술 자료

 

식물공장과 LED 조명의 과학적 고찰
 
                     1.    식물의 효율적인 재배 연구
 
 식물공장의 성패는 오로지 투입된 전기량에 대한 식물(채소의 무게)의 생산량에 의해 결정된다.
식물공장(밀폐형)에서는 전기만을 사용하여 조명을 하고, 이 빛으로 식물을 키우기 때문이다.
 
물론 식물의 성장(생산량)에는 빛(파장과 강도),과 양액의 질과 ph, EC 농도, 탄산가스, 온도, 습도가 큰 영향을 주나, 경제적인 면만을 고려한다면 그 중에도 빛과 실내 온도가 중요하다.
 
결국 식물공장에서의 비용은 인공광 조명에 따른 전기세의 비중이 제일 크므로 식물공장은 빛으로 비춰주는 전기의 양(전기세)에 따른 식물의 생산량이 얼마가 되느냐 하는 것이 성패의 기준이 되는 것이다.
 
또 다른 아주 중요한 문제도 있다.
 
식물공장의 운용이 정말 그린 에너지 사업일 수 있겠느냐 하는 문제이다.
현재 우리나라에서 전기 1kWh 를 사용한다면 탄산가스 0.424kg을 발생시키는 결과가 된다. 우리나라에서의 전기 생산이 대략 65~70%가 유연탄, 무연탄, 중유, 경유, LNG 가스를 써서 생산하기 때문이다.
 
우리나라에서 2010년 상반기 6개월동안의 전기생산을 위해 유연탄 무연탄 33,280,000 톤과 벙커C유 2,138,126 톤을 썼다는 사실을 상기해 보면 실감이 갈 것으로 생각된다.
반면, 프랑스에서는 전체 전기 생산량의 78%를 원자력 발전이 담당하고, 나머지의 많은부분도 수력발전 등으로 충당하기 때문에, 프랑스에서 전기 1kWh 를 쓴다면 이것은 대략 탄산가스 0.15kg을 발생시키는 요인이 되어, 우리나라 보다는 훨씬 적은 양이 되고많은 유럽국가들이 이렇듯 프랑스와 비슷하다.
 
뿐만 아니라 우리나라에서 전기 1kWh를 생산하는 데 드는 원가는 대략 70원 정도인데.
그걸 오직 농민들의 이익을 위해 농사용 전력이라고 해서 싸게 공급하고 있을 뿐이다.
(농사용 전력 ‘을’의 사용요금은 1kWh 당 26.3원이다.)
 
그러나 전기요금만 싸다고 해서 전기를 마구 사용하는 방식으로 식물공장을 운용하는
것은 옳은 일이 아니다. 식물공장을 운용하는 기관은 전기사용 절감과 탄산가스 배출을
 줄이기 위해 엄청난 노력을 해야 하고, 더 높은 차원에서의 명실상부한 그린 에너지사업
으로 이끌어 올려야 할 막중한 책무를 지니고 있는 것이다.
 
 
2, 에너지 절약의 구체적 방법.
 
“타카츠지 마사키” 저 “식물공장”에서 소개된 내용에 따르면, 식물은 광합성 과정에서 명반응과 암반응의 시기가 있으며, 암반응중(약 200㎲)에는 빛을 필요로 하지 않는다고 한다.
이러한 결과는 우리의 농촌진진흥청과 다른 연구기관에서도 연구, 시험을 한 것으로, 명반응(광화학반응)에는 ㎲~ms의 시간이 소요되고 암반응(효소반응)에는 ms~s 단위의 시간이 필요하므로
이 암반응 기간에는 어느 시간만큼 빛이 필요하지 않다는 것은 잘 알려져 있는 사실이다.
 
다만 국내에서는 전기적으로 아주 빠른 속도로 LED를 키고 끄는 기술의 한계성이 있어 시험이 어려웠다는 점을 들은 예가 있다.
 
즉 전기를 아주 짧은 시간 동안 통전시켜 LED를 켰다가(광화학반응기간), 효소반응기간에는 LED를 끄는 과정을 반복하면, 전기는 전기를 킨 시간에만 소모되므로 전기사용량을 많이 줄일 수 있게 된다는 이론이다.
 
만일 이렇게 LED를 고속으로 켰다가(ON) 끄기(OFF)를 반복할 때  정말 식물의 성장이 더 빠르게 이루어진다면 이것은 획기적인 방식이 아닐 수 없다.
왜냐하면 Duty time(전기가 켜져 있는 시간의 비율: % 로 나타냄) 을 50%(LED가 전체 시간 중 절반 시간만큼은 켜져 있다가 절반 시간만큼은 꺼져있는 상태)로 했을때, 식물의 생산량이 늘지는 않고 동일하다고만 하더라도 전기 사용량은 반으로 줄어들 것이기 때문이다.
다행히 LED의 점등, 소등시간은 아주 빨라 1초에 몇 만 번쯤은 ON/OFF 를 할 수 있다.
 
다만, 빛의 광도가 충분하지 않을때는 이러한 효과가 나타나지 않는다는데, 그럼 광도가 충분하다는 것은 도대체 얼마만한 광도를 말하는 것일까. 몇 lx, 또는 몇 µmolm-2s-1을 말하는 것일까.
여기에 대한 구체적인 자료는 어디에도 없는 실정이다.
 
3, LED의 고속 ON/OFF에 따른 식물의 재배 시험.
 
KAST 친환경농업기술은 이 문제에 관한 확인을 위해 2010년 3월 18일, KAST의 전용 온실에서 다음과 같은 시험을 했다.
 
여기에 사용된 적치마상추 모종은 3월 3일 모판에 파종해 두었던 것으로, 3월 18일 본 시험을 위해 각 재배상으로 옮겨 놓은 후 부터의 시험이다.
 
1, 시험군: 가로 세로 27*45cm 의 재배상 2개씩을 한 시험군으로 묶어 T1 에서 T6 까지 6개의 시험군을 준비한 후,  여기에 모두 적치마상추(1개 재배상당 12포기)를 심고, 각 시험군마다 조명 의 시간적 조건을 달리해 식물을 키워보기로 했다.
 
여기에 사용된 빛 스팩트럼은 여러가지 색의 LED 를 조합해 만든 KAST 고유의 빛이 이용됐다. 다만 시험군 T5 에서만은 , 여기에 초록색 빛(파장 525nm)을 약간 섞은 것이다.
 
형광등을 조명으로 이용한 시험군(T6)은 이들과의 비교를 위한 대조군으로 준비를 했다.
 
여기서 LED 조명을 사용한 T1~T5 까지의 시험군에는 1개 재배상당 LED 14개 씩이 사용됐다.
이때 각 재배상에서 본 실질적인 광도는 시험군 T1에서, LED 광원의 25cm 아래에서 측정했을때, µmolm-2s-1평균은 54.5, lx 평균치는 1,355였고 빛 에너지량은 17.35W/m2 였다.
 
이에 반해 1개 재배상당 18W 형광등 2개씩을 장착한 시험군(T6)에서는 PPFD가 약 74.5 µmolm-2s-이었고, 조도는  4253 lx 로,
LED 쪽 보다는 PPFD 수치는 약 1.37 배 더 높고 조도(lx)는 약 3.1배 더 높았다..
 
 
2, 각 시험군의 조명 조건과 소비전력의 비교.
T1: LED 조명: 연속조명, 전류 350 m A,  1개 재배상당 손실포함 총 소비전력:17.8W
 
T2:: LED 조명: ON시간: 200us, OFF 시간:200us(duty time 50%), 1초당 2,500회 점멸, ON time시 전류 450 m A, 평균전류 225m A, (그림 1-2), 1개 재배상당 소비전력: 13.5W
 
T3: LED 조명 ON시간: 150us, OFF시간: 300us(duty time: 33%), 1초당 2,222회 점멸,ON time 시 전류 600 m A 평균전류 200m A, 그림 1-3), 1개 재배상당 소비전력: 10.33W.
 
T4: LED 조명: ON시간: 120㎲, OFF시간: 360㎲(duty time 25%), 1초당 2,083회 점멸, ON time 시 전류 700 m A, (그림 1-4), 평균전류 175m A, 1개 재배상당 소비전력: 9.21W
 
T5: LED 조명: 연속조명으로 T1 과 같은 조건이나, 초록색 빛(파장 525 nm)을 추가했음,.
1개 재배상당 소비전력: 17.8W.
 
T6: 형광등 조명: 재배상 1개당 3파장 18W 형광등을 2개씩 사용, 외부에 표시된 공칭 사용전력은 18W 이나, 입력측에서 본 소비전력은 형광등 1개당 21W로, 2개의 소비전력은 42W 이다.
1 개 재배상당 소비전력: 42W.
아래 그림들은 LED에서 비치는 빛이 설정된 시간대로 ON/OFF 되고 있음을 알아보기 위해 광센서로 빛을 받아 이 신호를  오실로시코프 상에 나타내 본 그림이다.
 
(그림 1-2) 시험군 T2의 LED에서 발산되는 빛의 세기 파형: 빛이 약 200㎲ 켜졌다가
200㎲ 꺼지기를 반복하는 파형이 보인다.
 
 
 
 
 
 
 
(그림 1-3) 시험군 T3의 LED에서 발산되는 빛의 세기 파형: 빛이 약 130㎲ 동안 켜졌다가
260㎲ 동안 꺼져 있기를 반복하는 파형이 보인다.

 
(그림 1-4) 시험군 T4의 LED 발산되는 빛의 파형. 빛이 약 100㎲ 동안 켜졌다가 약 300㎲동 꺼져 있는 파형
 
 
 
 
참고로 말하면, 이들을 재배시험하기 위한 KAST의 온실 시험 조건은 아래와 같고, 온실은 외부의 빛이 들어오는 것을 차단하기 위해 모든 창문에는 두꺼운 커튼을 쳤다..
 
3, 시험 온실의조건:
a 실내온도: 18~20도
b 양액농도: ph: 6.7~6.9
c EC농도: 0.8~1.2
d 탄산가스: 공급 안함.
E   습도: 조절 안함.
 
 
아래 그림은 이렇듯 T1 에서 T6 까지 6개의 시험군을 나란히 늘어 놓은 상태에서 찍은
사진이다.
이 사진을 찍기 위해 시험군 사이의 빛 차단용 칸막이는 잠시 제거한 상태의 모습이다.
왼쪽부터 시험군 T1 이고, 오른쪽 맨 끝이 형광등 시험군 T6이다.
 
 

4, 관찰 결과
아래는 이러한 조건으로 3월 18일부터 재배를 시작한 4일 후인 3월 22일 찍은 사진들이다
아래는 시험군 T1의 사진이다

 
 
아래는 시험군 T2의 사진이다.
 
 
 
 
아래는 시험군 T3 의 사진이다.

 
 
아래는 시험군 T4 의 사진이다
 
.
 
 
아래는 시험군 T5 의 사진이다

 
아래는 시험군 T6 의 사진이다
 
 
 
 
 
아래는 다시 7일 후인 3월 29일 찍은 사진이다.
시험군 T1의 사진
.
사진에서 보듯 록색 잎이 적당히 적색으로 변하기 시작하는 걸 볼 수 있다.
빛을 덜 받는 외측의 상추가 조금 빈약하나, 대부분 잘 성장하고 있음을 알 수 있다.
 
아래는 시험군 T2의 사진이다
.
 잎도 크고 안토시아닌의 발현이 뚜렷해 적당한 적색을 띄고 있다.


아래는 시험군 T3의 사진이다.
 
가운데 부분에서만 적색 발현, 발육이 약간 미흡한 듯 보인다.
 
아래는 시험군 T4의 사진이다.


역시 가운데 부분에서만 적색 발현, 성장은 왕성한듯 보인다.
 
아래는 시험군 T5의 사진이다

.잎은 크나 적색 발현이 가장 덜하다.
 
아래는 시험군 T6의 사진이다
.
잎은 가장 작으나 현재까지는 가장 진한 적색이다.
 
다음은 4월 7일(정식 후 25일째 되는 날), 각 시험군마다 1개의 재배상(상추 12포기)에서,
뿌리를 포함한 12포기의 합계 무게를 달아 본 결과이다.
 
재배상    무게(12포기, 뿌리 포함)  
 
T1:        292g
T2         312g
T3         253g
T4         304g
T5         298g
T6         270g     
 
다음은 4월 14일, 각각의 시험군 마다 2개씩 있는 재배상의 모든 상추를 수확하여 뿌리를 제거한 후 식용가능한 잎면 부위만의 생체중을 실측한 값이다. 그러므로 이 값은 각 시험군마다 2개의 재배상에서 수확(상추 24포기)한 합계무게이다.
 
 
시험군 T1에서 수확한 상추: 무게 429g
 
 
 
 
 
시험군 T2에서 수확한 상추:무게 415g

 
 
 
시험군 T3에서 수확한 상추: 무게 353g

 
 
시험군 T4에서 수확한 상추: 무게 399g

 
 
시험군 T5에서 수확한 상추: 무게 394g

 
 
시험군 T6에서 수확한 상추: 무게 417g
 
 
 
 
 
한편으로는, 인공광만을 이용해 재배한 상추의 영양소는 어떤지를 알기 위해 4월 14일, 시험군 T1 과 T2 에서 수확한 상추를 한국식품연구소에 성분분석 의뢰를 했었고,
아래는 그 시험성적서이다.
 
LED를 이용해 재배한 적치마 상추의 시험성적서
 
    
 
이 성적서에서 보듯 분석의뢰한 비타민 A, B, C와 칼슘 성분의 함량은 노지재배 상추와 대동소이
한 것으로 밝혀졌다.
 
이 시험에서 얻은 결과를 이용, LED 조명을 연속으로 비춰 줄 때와, 빠른 속도로 조명을 ON/OFF 시켜 줄 때, 조명에 초록색 빛(525nm)을 포함했을 경우, 또 형광등만을 조명으로 사용했을때의 상추 생산량 대비 전력소모량을 비교해 본 결과는 아래와 같다.
물론 이번 시험에서는 조명을 1일 24시간 계속 비춰준 것이다.
여기서 계산된 전기요금은 국내에서는 두번째로 싼 <농업용 전기”을”> 의 요금 1kWh 당 26.3원을 계상한 것이다.
또한, 여기서 시험한 채소는 적치마상추이므로, 상추의 적색 발현도가 어느정도인지도 매우 중요한데, 시험에서 상추잎의 적색빛 발현도 순서는 T1,T6,T4,T2,T3,T5의 순위였다.
 
 
T1(LED,연속조명):
상추 생산량: 429g
전력소비량: 22.214kWh
전기요금: 584.2원
상추 100g 당 소비전력: 5.178kWh
상추 100g 생산에 든 전기요금: 136.2원
적색발현순위:No: 1
 
T2(LED, Duty 50%)
상추 생산량: 415g
전력소비량: 16.848kWh
전기요금:443.1원
상추 100g 당 소비전력: 4.597kWh
상추 100g 생산에 든 전기요금: 120.9원
적색발현순위: No: 4
 
T3(LED, Duty 33%)
상추 생산량: 353g
전력소비량: 12.891kWh
전기요금: 339원
상추 100g 당 소비전력: 3.651kWh
상추 100g 생산에 든 전기요금: 96원
적색발현순위: No: 5
 
T4(LED, Duty 25%)
상추 생산량: 399g
전력소비량: 11.494kWh
전기요금: 302.2원
상추 100g 당 소비전력: 2.807kW
상추 100g 생산에 든 전기요금: 73.8원
적색발현순위:No: 3

T5(LED, 연속조명, 초록색 빛 포함)
상추생산량: 394g
전력소비량: 22.214kWh
전기요굼: 584.2원
상추 100g 당 소비전력: 5.638kWh
상추 100g 생산에 든 전기요금: 148.2원
적색발현순위: No: 6
 
 
T6(형광등 사용)
상추 생산량: 417g
전력소비량: 52.416kWh
전기요금: 1378.5원
상추 100g 당 소비전력: 12.569kWh.
상추 100g 생산에 든 전기요금: 330.5원
적색발현순위: No: 2
 
 
 
위의 시험재배에서와 같이, 같은 LED 를 사용해서 식물을 재배하더라도, LED를 연속점등시키는 것 보다는 LED를 빠르게 ON/OFF 시켜주는 것이 전기 절약에 큰 도움이 된다는 것을 알 수 있다.(약 46%의 전기 절약)
 
LED 를 빠르게 ON/OFF 하여 전체 시간의 4분지 1 기간(Duty 25%)에만 조명을 비춰주는 것이 조명을  연속으로 비춰주는 것보다 전기세 절약 면에서 약 1.84 배 이익이 되는 것을 알 수 있다.(전기세 136.2원 대 73.8원)
이 말은 곧 LED의 연속조명 상태에서 빛의 밝기(PPFD)가 54.5umol 정도일 때도 빛을 ON/OFF 해 주는 것이 그냥 계속 비춰주는 것보다 훨씬 더 경제적이라는 설명이 된다.
 
반면에 형광등(T6)을 이용해 식물을 재배하는 것은 LED를 연속점등하는 방식(T1) 보다는 약 2.42 배 비능률적이고, LED를 전체시간의 25% 만 켜주는 고속점멸방식(T4) 보다는 무려 4.47배 비능률적이다.
즉 이번 시험에서 드러났듯 형광등은  PPFD(umol) 에서나 조도(lx)측정값에서는 LED를 이용한 조명에서 보다는 훨씬 높았으나,,  식물의 성장(수확량)은 LED 보다 조금  못했고 전력 소모량은 훨씬 많았다. 그 이유는, 형광등에서 발산되는 빛에는, 광합성에 별로 도움이 되지 않는 빛 에너지(480 nm~620nm 파장대)를 대략 55%쯤 포함하고 있기 때문이다,
 
이런 결과를 두고 볼 때, 형광등을 이용해 식물을 키운다는 것은, 비록 시험재배라고는 하나, 
어떤 목적에서건 상추 100g을 생산하는데  전기세 330.5원이 들어서는 채산성이 없을 뿐만 아니라, 그린에너지 사업이라고 볼 수도 없다는 게 필자의 솔직한 심정이다.
이번 시험에서 LED를 ON/OFF 하는 방법이 식물을 더 빨리 자라게 할 수 있으리라는 예상은 빗나갔으나, 이 방법이 식물성장 효과에서는 연속조명과 큰 차이가 나지 않는다는 결론을 얻었다.
즉 같은 양의 식물을 생산한다면 전력소모만은 아주 많이( 줄일수 있다는 뜻이다.
 
식물공장에서도 이런 법칙은 그대로 적용된다.
뿐만 아니라, 실질적으로 식물공장의 대지 면적이 대략 150 m2 (50평)만 되어도 여기서 소비되는 전력은 형광등의 경우 조명용으로만 60 k W 를 훨씬 넘을 것이고, 이때의 1개월 전기세는 60*24*30*26.3원에서, 1,136,000 원이 넘는다.
여기에 더해서  조명에 드는 전력의 소모가 많다는 뜻은 식물공장내에서의 열 방출도 그만큼 늘어난다는 의미이고, 이에 따른 식물공장 냉방용 에어컨의 전력소모량도 다시 그만큼 늘어나야 한다는  뜻이므로 이중의 경제적 손실이 된다.
 
5, 시험후의 결론.
 
위의 시험에서는, 재배식물을 정식한 날(3월 18일)로부터 26일(4월 14일) 후에 수확을 했다.
그렇다면 이런 방식으로는 아무리 잘 짜여진 스케쥴에 의해 식물을 가꾸더라도, 1년에 14회
수확을 할 수 있게 되는데, 이런 정도로는 식물공장의 수익성도 그리 큰 편은 못된다.
이 말은 곧 전력 소모를 줄이고 생산량을 늘이기 위해서는 수확기(재배상에 육묘를 정식한
후 수확하기까지의 소요일)를 가능하면 15일 이내(연 24회 수확)로, 아무리 늦어도 최소한
16~17일 이내로는 단축해야 한다는 뜻이다.
 
물론 규모가 커지면 단위생산량에 대한 전력소모는 이 시험에서 보다는 훨씬  더 줄일 수는
 있게 되겠으나 그래도 전기세는 가장 큰 생산비용이 되기 때문이다.
한편으로는, 우리나라 사람들은 적색 채소를 선호하므로, 식물공장에서 생산되는 채소에는 꼭
적색채소가 포함되어 있어야 한다는 점도 중요하다.
 
식물공장이 이런 목적들을 이루기 위해서는 조명에 관해서만도 고도의 기술적 테크닉이
필요하고, 수확기를 단축하기 위해서는 조명문제  외에도 종합적인 기술이 필요하다.
 
여기에는 기온, 양액공급, 탄산가스 조절, 체계적인 조명 관리와 함께 운용 소프트웨어도 잘
짜야 하는데, KAST 친환경농업기술에서는 이 문제의 해결을 위해 많은 노력을 기울인 결과
근래 그 결실을 얻고 있고, 다음호에서는 이에 대해 기술할 생각이다.
 
앞으로 전기세는 더 오를 예정이고, 그럴 수 밖에 없으리라는 생각이다.
그런만큼 앞으로의 식물공장의 성패는 오로지 얼마만큼 에너지를 절약할 수 있느냐에 달려
있고, 그러기 위해서는 조명장치의 에너지 절약, 식물의 수확기 단축(더 많은 식물의 생산)의
두 길 밖에 없음을 명심해야 한다.
 
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