JP2017073990A

JP2017073990A - 植物育成促進装置

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Publication number: JP2017073990A
Application number: JP2015202019A
Authority: JP
Inventors: 智也藤峰; Tomoya Fujimine; 敏成荒木; Toshishige Araki; 真里耶碇; Mariya Ikari; 高橋　美佐; Misa Takahashi; 美佐高橋
Original assignee: Hiroshima University NUC; Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Hiroshima University NUC; Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2015-10-13
Filing date: 2015-10-13
Publication date: 2017-04-20
Anticipated expiration: 2035-10-13
Also published as: JP6560951B2

Abstract

【課題】効率よく植物を育成する。【解決手段】植物育成促進装置１００は、燃焼排ガスの供給源１１０から供給された燃焼排ガスを脱硝する脱硝触媒を含んで構成され、二酸化炭素および窒素酸化物を含む混合ガスを生成する脱硝装置１３０と、脱硝装置１３０によって生成された混合ガスを植物の栽培地（温室１０）に供給する供給手段１２０と、供給手段１２０によって供給される混合ガスの単位流量あたりの窒素酸化物の量を増加または減少させるように、脱硝装置１３０を制御する窒素酸化物制御部１６６とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、植物の育成を促進する植物育成促進装置に関する。

一般的に、野菜、果物等の農作物、花卉、観葉植物等の園芸用植物等の植物を温室内で栽培する際に、温室内に二酸化炭素を供給して植物の光合成を促進している。温室に供給する二酸化炭素として、燃焼によって生じた排気ガスが広く利用されており、例えば、特許文献１には、火力発電設備で生じた排気ガスから、植物の育成を阻害すると考えられていた窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）を除去して温室に供給する構成が記載されている。

このように、従来、窒素酸化物は、植物の育成を阻害すると考えられていたが、近年の研究により、植物の栽培雰囲気を１０ｐｐｂ〜２００ｐｐｂの窒素酸化物の雰囲気とすることにより、植物の育成を促進できることが分かってきた（例えば、非特許文献１、特許文献２）。

特許第４４８９５３６号公報特開２０１２−２３５７４８号公報

Plant Signaling & Behavior 9, e28563; March; 2014

上記特許文献２に記載されているように、所定の濃度範囲の窒素酸化物の雰囲気は、植物の育成を促進できるため、窒素酸化物を利用して、さらに効率よく植物を育成する技術の開発が希求されている。

本発明は、このような課題に鑑み、効率よく植物を育成することができる植物育成促進装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の植物育成促進装置は、燃焼排ガスの供給源から供給された燃焼排ガスを脱硝する脱硝触媒を含んで構成され、二酸化炭素および窒素酸化物を含む混合ガスを生成する脱硝装置と、前記脱硝装置によって生成された前記混合ガスを植物の栽培地に供給する供給手段と、前記供給手段によって供給される前記混合ガスの単位流量あたりの窒素酸化物の量を増加または減少させるように、前記脱硝装置を制御する窒素酸化物制御部と、を備えたことを特徴とする。

また、前記脱硝装置は、前記脱硝触媒としての選択還元触媒と、還元剤および該還元剤の前駆物質のいずれか一方または双方を前記選択還元触媒に導入する還元剤導入部と、を含んで構成され、前記窒素酸化物制御部は、前記還元剤導入部が導入する、還元剤および該還元剤の前駆物質のいずれか一方または双方の導入量を調整するとしてもよい。

また、前記燃焼排ガスの供給源から供給された前記燃焼排ガスを、前記脱硝触媒を通過させて前記栽培地に送出する脱硝流路と、前記燃焼排ガスの供給源から供給された前記燃焼排ガスを、前記脱硝触媒を迂回させて前記栽培地に送出するバイパス流路と、を含んで構成され、前記窒素酸化物制御部は、前記脱硝流路を通過させる燃焼排ガスと、前記バイパス流路を通過させる燃焼排ガスとの割合を調整するとしてもよい。

また、前記燃焼排ガスの供給源は、エンジンと、前記エンジンによって発電する発電機と、を含んで構成され、前記栽培地の雰囲気中の二酸化炭素の濃度が、所定の二酸化炭素目標値に維持されるように、前記エンジンへの燃料の供給量を制御する二酸化炭素制御部を備え、前記窒素酸化物制御部は、前記栽培地の雰囲気中の窒素酸化物の濃度が、所定の窒素酸化物目標値に維持されるように、フィードバック制御を行うとしてもよい。

また、前記窒素酸化物制御部は、前記エンジンによる窒素酸化物の生成量を増加または減少させるように、該エンジンの空気比を制御するとしてもよい。

また、前記栽培地の雰囲気中の二酸化炭素の濃度が、所定の二酸化炭素目標値に維持されるように、前記燃焼排ガスの供給源から前記脱硝装置へ供給される燃焼排ガスの供給量を制御する二酸化炭素制御部を備え、前記窒素酸化物制御部は、前記栽培地の雰囲気中の窒素酸化物の濃度が、所定の窒素酸化物目標値に維持されるように、フィードバック制御を行うとしてもよい。

また、作業者による操作入力に応じて、複数の運転モードから１の運転モードを選択する運転モード選択部を備え、前記複数の運転モードには、少なくとも、前記二酸化炭素目標値が第１二酸化炭素目標値に設定され、前記窒素酸化物目標値が第１窒素酸化物目標値に設定される運転モードと、前記二酸化炭素目標値が前記第１二酸化炭素目標値未満の第２二酸化炭素目標値に設定され、前記窒素酸化物目標値が前記第１窒素酸化物目標値に設定される運転モードと、が含まれるとしてもよい。

本発明によれば、効率よく植物を育成することが可能となる。

第１実施形態にかかる植物育成促進装置を説明する図である。第１実施形態にかかる脱硝装置を説明する図である植物栽培方法の処理の流れを説明するフローチャートである。第１運転モード処理の流れを説明するフローチャートである。第２運転モード処理の流れを説明するフローチャートである。第３運転モード処理の流れを説明するフローチャートである。第２実施形態にかかる植物育成促進装置を説明する図である。第３実施形態にかかる脱硝装置および中央制御部を説明する図である。第４実施形態にかかる植物育成促進装置を説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（第１実施形態：植物育成促進装置１００）
図１は、第１実施形態にかかる植物育成促進装置１００を説明する図である。図１に示すように、本実施形態にかかる植物育成促進装置１００は、燃焼排ガスの供給源１１０と、供給手段１２０と、脱硝装置１３０と、第１濃度計測ユニット１４０と、第２濃度計測ユニット１５０と、中央制御部１６０とを含んで構成され、供給源１１０から供給された燃焼排ガスを脱硝して、植物１２の栽培地である温室１０に供給する。図１中、ガスの流れを実線の矢印で示し、信号の流れを破線の矢印で示す。なお、ここでは、窒素酸化物として二酸化窒素（ＮＯ_２）を例に挙げて説明する。

供給源１１０は、所謂トリジェネレーションシステムであり、エンジン１１２と、発電機１１４と、燃料供給部１１６と、空気供給部１１８とを含んで構成される。エンジン１１２は、例えば、ガスエンジンであり、発電機１１４を駆動して発電させる。発電機１１４によって生成された電力は、温室１０内の照明に利用される。また、エンジン１１２において生じた熱は、温室１０内の熱源として利用される。

燃料供給部１１６は、例えば、遮断弁で構成され、不図示の都市ガスパイプラインが燃料供給部１１６に接続されており、エンジン１１２へ都市ガスを供給する。なお、燃料供給部１１６とエンジン１１２との間には、流量調整弁１１６ａが設けられている。

空気供給部１１８は、例えば、ブロワで構成され、エンジン１１２へ空気を供給する。なお、空気供給部１１８とエンジン１１２との間には、流量調整弁１１８ａが設けられている。

供給手段１２０は、例えば、ブロワで構成され、エンジン１１２から排気された燃焼排ガスを、脱硝装置１３０を介して温室１０に供給する。つまり、供給手段１２０は、脱硝装置１３０において脱硝された燃焼排ガス（二酸化炭素および窒素酸化物を含む混合ガス、以下、「混合ガス」と称する）を温室１０に供給する。

脱硝装置１３０は、燃焼排ガスの供給源１１０から供給された燃焼排ガスを脱硝する。図２は、第１実施形態にかかる脱硝装置１３０を説明する図である。図２中、ガスの流れを実線の矢印で示し、信号の流れを破線の矢印で示す。

図２に示すように、本実施形態にかかる脱硝装置１３０は、選択還元触媒（ＳＣＲ）１３２と、還元剤導入部１３４と、酸化装置１３６とを含んで構成される。

選択還元触媒１３２は、還元剤の存在下で、窒素酸化物を脱硝（還元）する脱硝触媒である。ここで、還元剤は、例えば、アンモニアである。

還元剤導入部１３４は、例えば、ポンプで構成され、還元剤および還元剤の前駆物質のいずれか一方または双方を選択還元触媒１３２に導入する。ここで、還元剤の前駆物質は、例えば、尿素である。本実施形態では、還元剤導入部１３４が尿素を選択還元触媒１３２に導入する構成を例に挙げて説明する。また、還元剤導入部１３４と選択還元触媒１３２との間には、導入量調整弁１３４ａが設けられている。

なお、選択還元触媒１３２の脱硝率は、選択還元触媒１３２における還元剤の量に基づく。つまり、還元剤導入部１３４によって選択還元触媒１３２に導入される尿素量に応じて、選択還元触媒１３２の脱硝率が決定されることとなる。具体的に説明すると、相対的に尿素量が多いと脱硝率は高くなり、相対的に尿素量が少ないと脱硝率が低くなる。

酸化装置１３６は、選択還元触媒１３２が脱硝した燃焼排ガス中に含まれる一酸化窒素（ＮＯ）をＮＯ_２に酸化する。

図１に戻って説明すると、第１濃度計測ユニット１４０は、温室１０内に配される１または複数の計測プローブ１４２と、計測プローブ１４２から入力された信号に基づいて、温室１０内の雰囲気中（栽培地の雰囲気中）の窒素酸化物の濃度を計測する第１濃度計測部１４４とを含んで構成される。本実施形態において、第１濃度計測ユニット１４０は、窒素酸化物としてＮＯ_２の濃度を計測する。第１濃度計測ユニット１４０による窒素酸化物の計測は、既存の技術であるため、ここでは、詳細な説明を省略する。

第２濃度計測ユニット１５０は、温室１０内に配される１または複数の計測プローブ１５２と、計測プローブ１５２から入力された信号に基づいて、温室１０内の雰囲気中（栽培地の雰囲気中）のＣＯ_２の濃度を計測する第２濃度計測部１５４とを含んで構成される。第２濃度計測ユニット１５０によるＣＯ_２の計測は、既存の技術であるため、ここでは、詳細な説明を省略する。

中央制御部１６０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成され、ＲＯＭからＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出し、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して、植物育成促進装置１００全体を管理および制御する。本実施形態において、中央制御部１６０は、燃費が最適である空気比（空燃比）となるように、流量調整弁１１８ａの開度を調整する。ここで、空気比は、燃焼用の空気量／理論空気量（燃料を完全に燃焼させるために必要な最低の空気量）である。また、中央制御部１６０は、運転モード選択部１６２、二酸化炭素制御部１６４、窒素酸化物制御部１６６として機能する。

運転モード選択部１６２は、作業者による操作入力に応じて、３つの運転モードから１の運転モードを選択する。二酸化炭素制御部１６４は、運転モード選択部１６２によって選択された運転モードに設定された条件にしたがって、エンジン１１２への燃料の供給量を制御（フィードバック制御）する。窒素酸化物制御部１６６は、運転モード選択部１６２によって選択された運転モードに設定された条件にしたがって、温室１０に供給される混合ガスの単位流量あたりのＮＯ_２の生成量を増加または減少させるように、還元剤導入部１３４が導入する尿素の導入量を調整（フィードバック制御）する。以下、３つの運転モードそれぞれについて説明する。

（第１運転モード）
第１運転モードは、温室１０内のＣＯ_２の濃度を第１二酸化炭素目標値とする運転モードである。なお、第１二酸化炭素目標値は、植物１２の種類に応じて決定される、当該植物１２の育成を大気環境より優位に促進する値であり、例えば、４００ｐｐｍ〜２０００ｐｐｍの範囲内の予め定められた値である。

運転モード選択部１６２によって、第１運転モードが選択されると、二酸化炭素制御部１６４は、まず、第２濃度計測ユニット１５０によって計測されたＣＯ_２の濃度が、第１二酸化炭素目標値（例えば、１０００ｐｐｍ）となるように、流量調整弁１１６ａの開度を調整して、エンジン１１２に供給される燃料の供給量を制御する。

窒素酸化物制御部１６６は、二酸化炭素制御部１６４によって決定された燃料の供給量に基づいて、選択還元触媒１３２における脱硝率（ＮＯ_ｘ除去率）が最も高く（第１濃度計測ユニット１４０によって計測されたＮＯ_２の濃度が後述する第１窒素酸化物目標値未満の所定の第２窒素酸化物目標値となる脱硝率）なるとともに、過剰の尿素による尿素やアンモニアの温室１０へのスリップを防ぎながら、導入量調整弁１３４ａの開度を調整する。

これにより、温室１０内を植物１２の育成を促進するＣＯ_２雰囲気に維持することができ、効率よく植物１２を育成することが可能となる。

（第２運転モード）
第２運転モードは、温室１０内のＣＯ_２の濃度を、第１二酸化炭素目標値未満の第２二酸化炭素目標値とするとともに、ＮＯ_２の濃度を第１窒素酸化物目標値とする運転モードである。なお、第１窒素酸化物目標値は、植物１２の種類に応じて決定される、当該植物１２の育成を促進する値であり、例えば、５ｐｐｂ〜１０００ｐｐｂの範囲内の予め定められた値である。

具体的に説明すると、運転モード選択部１６２によって、第２運転モードが選択されると、二酸化炭素制御部１６４は、まず、第２濃度計測ユニット１５０によって計測されたＣＯ_２の濃度が、第２二酸化炭素目標値（例えば、６００ｐｐｍ）となるように、流量調整弁１１６ａの開度を調整して、エンジン１１２に供給される燃料の供給量を制御する。

窒素酸化物制御部１６６は、第１濃度計測ユニット１４０によって計測されたＮＯ_２の濃度が第１窒素酸化物目標値（例えば、５０ｐｐｂ）となるように、導入量調整弁１３４ａの開度を調整して、選択還元触媒１３２への尿素の導入量を制御する。具体的に説明すると、窒素酸化物制御部１６６は、二酸化炭素制御部１６４によって決定された燃料の供給量と、目的とする脱硝率（第１濃度計測ユニット１４０の計測値が第１窒素酸化物目標値となる脱硝率）とに基づいて、導入量調整弁１３４ａの開度を調整し、選択還元触媒１３２に導入される尿素の導入量を制御する。

このように、第２運転モードでは、温室１０の雰囲気中のＣＯ_２の濃度が、第１二酸化炭素目標値未満の第２二酸化炭素目標値に維持されるように、燃料の供給量が制御され、温室１０の雰囲気中のＮＯ_２の濃度が、第１窒素酸化物目標値に維持されるように、脱硝率（尿素の導入量）が制御される。したがって、植物１２の育成を促進する二酸化炭素濃度の下限値を第２二酸化炭素目標値に設定すれば、植物１２の育成を促進するために必要な最低限のＣＯ_２が確保できる燃料を燃焼させつつ、ＮＯ_２の濃度を第１窒素酸化物目標値に維持することが可能となる。

これにより、第１運転モードと比較して、消費する燃料を低減しつつ、温室１０内を植物１２の育成を促進する雰囲気に維持することが可能となる。したがって、低コストで植物１２の育成を促進することが可能となり、効率よく植物１２を育成することができる。

（第３運転モード）
第３運転モードは、温室１０内のＣＯ_２の濃度を第１二酸化炭素目標値とするとともに、ＮＯ_２の濃度を第１窒素酸化物目標値とする運転モードである。

具体的に説明すると、運転モード選択部１６２によって、第３運転モードが選択されると、二酸化炭素制御部１６４は、まず、第２濃度計測ユニット１５０によって計測されたＣＯ_２の濃度が第１二酸化炭素目標値となるように、流量調整弁１１６ａの開度を調整して、エンジン１１２に供給される燃料の供給量を制御する。

窒素酸化物制御部１６６は、第１濃度計測ユニット１４０によって計測されたＮＯ_２の濃度が第１窒素酸化物目標値となるように、導入量調整弁１３４ａの開度を調整して、選択還元触媒１３２への尿素の導入量を制御する。

このように、第３運転モードでは、温室１０の雰囲気中のＣＯ_２の濃度が、第１二酸化炭素目標値に維持されるように、燃料の供給量が制御され、温室１０の雰囲気中のＮＯ_２の濃度が、第１窒素酸化物目標値に維持されるように、脱硝率が制御される。

これにより、温室１０内を、植物１２の育成をさらに促進する雰囲気に維持することができ、効率よく植物１２を育成することが可能となる。なお、第３運転モードでは、第２運転モードと比較して、単位時間あたりの燃料消費量は増加するものの、植物１２の育成を促進する効果を向上させることができる。したがって、第２運転モードで育成した場合と同等に植物１２が育成するまでの期間（例えば、植物１２の収量が実質的に等しくなる期間）を短縮することが可能となる。また、第３運転モードでは、第２運転モードで育成した場合と同等の栽培期間である場合、植物１２が育成を促進（増収）させることができる。このように、混合ガス（ＣＯ_２およびＮＯ_２）を供給する期間を短縮することができるため、第１運転モードと比較して、消費する燃料を低減しつつ、温室１０内を植物１２の育成を促進する雰囲気に維持することが可能となる。

このように、運転モード選択部１５２が少なくとも第２運転モードまたは第３運転モードを選択可能であることにより、燃料の消費量や尿素の消費量を低減することができる。具体的に説明すると、窒素酸化物による植物１２の育成促進効果は、播種後から所定期間が経過するまでの植物１２の生育の初期段階で特に発揮される。したがって、植物１２の育成の初期段階において、第２運転モードを選択することにより、第１運転モード（従来の二酸化炭素施肥）と同じ栽培期間、かつ、同等の植物１２の育成（同じ収量）を、燃料の消費量および尿素の消費量を低減して行うことができる。また、植物１２の育成の初期段階において、第３運転モードを選択することにより、第１運転モード（従来の二酸化炭素施肥）と同じ栽培期間、かつ同量の燃料の消費量で、植物１２の育成を促進（増収）することが可能となり、また、尿素の消費量を低減することができる。また、第３運転モードを選択することにより、第１運転モード（従来の二酸化炭素施肥）と同量の燃料の消費量で植物１２の育成を行っても、従来と同等に植物１２を育成させる栽培期間を短縮することが可能となり、また、尿素の消費量を低減することができる。

以上説明したように、本実施形態にかかる植物育成促進装置１００によれば、温室１０内を植物１２の育成を促進する雰囲気に維持することができ、効率よく植物１２を育成することが可能となる。

（植物栽培方法）
続いて、植物育成促進装置１００を用いた植物栽培方法について説明する。図３は、植物栽培方法の流れを説明するためのフローチャートである。植物育成促進装置１００では、第１濃度計測ユニット１４０が常時ＮＯ_２の濃度を監視するとともに、第２濃度計測ユニット１５０が常時ＣＯ_２の濃度を監視しており、図３のフローチャートに示す処理は、所定時間間隔の割込処理として実行される。

（ステップＳ２１０）
中央制御部１６０は、運転モードが第１運転モードであるか否かを判定する。その結果、第１運転モードであると判定した場合にはステップＳ２２０に処理を移し、第１運転モードではないと判定した場合にはステップＳ２３０に処理を移す。

（ステップＳ２２０）
中央制御部１６０は、第１運転モード処理を遂行して、当該植物栽培方法にかかる処理を終了する。この第１運転モード処理については、後に詳述する。

（ステップＳ２３０）
中央制御部１６０は、運転モードが第２運転モードであるか否かを判定する。その結果、第２運転モードであると判定した場合にはステップＳ２４０に処理を移し、第２運転モードではないと判定した場合にはステップＳ２５０に処理を移す。

（ステップＳ２４０）
中央制御部１６０は、第２運転モード処理を遂行して、当該植物栽培方法にかかる処理を終了する。この第２運転モード処理については、後に詳述する。

（ステップＳ２５０）
中央制御部１６０は、第３運転モード処理を遂行して、当該植物栽培方法にかかる処理を終了する。この第３運転モード処理については、後に詳述する。

図４は、第１運転モード処理（ステップＳ２２０）の流れを説明するフローチャートである。

（ステップＳ２２０−１）
二酸化炭素制御部１６４は、第２濃度計測ユニット１５０が計測したＣＯ_２の濃度（計測値Ｄ）が第１二酸化炭素目標値Ｄ１未満であるか否かを判定する。その結果、計測値Ｄが第１二酸化炭素目標値Ｄ１未満であると判定した場合には、ステップＳ２２０−３に処理を移し、計測値Ｄが第１二酸化炭素目標値Ｄ１未満ではないと判定した場合には、ステップＳ２２０−５に処理を移す。

（ステップＳ２２０−３）
二酸化炭素制御部１６４は、流量調整弁１１６ａの開度を大きくして、ステップＳ２２０−９に処理を移す。

（ステップＳ２２０−５）
二酸化炭素制御部１６４は、計測値Ｄが第１二酸化炭素目標値Ｄ１を上回っているか否かを判定する。その結果、計測値Ｄが第１二酸化炭素目標値Ｄ１を上回っていると判定した場合には、ステップＳ２２０−７に処理を移し、計測値Ｄが第１二酸化炭素目標値Ｄ１を上回っていないと判定した場合には、ステップＳ２２０−９に処理を移す。

（ステップＳ２２０−７）
二酸化炭素制御部１６４は、流量調整弁１１６ａの開度を小さくして、ステップＳ２２０−９に処理を移す。

（ステップＳ２２０−９）
窒素酸化物制御部１６６は、上記ステップＳ２２０−３またはステップＳ２２０−７において決定された流量調整弁１１６ａの開度に応じた燃料の供給量に基づいて、選択還元触媒１３２における脱硝率が最も高くなるとともに、過剰の尿素による尿素やアンモニアの温室１０へのスリップを防ぎながら、導入量調整弁１３４ａの開度を調整する導入量制御処理を遂行して、当該第１運転モード処理を終了する。

こうして、温室１０内が植物１２の育成を促進するＣＯ_２雰囲気となるように、混合ガスが温室１０内に供給されることとなる。

図５は、第２運転モード処理（ステップＳ２４０）の流れを説明するフローチャートである。

（ステップＳ２４０−１）
二酸化炭素制御部１６４は、計測値Ｄが、第２二酸化炭素目標値Ｄ２未満であるか否かを判定する。その結果、計測値Ｄが第２二酸化炭素目標値Ｄ２未満であると判定した場合には、ステップＳ２４０−３に処理を移し、計測値Ｄが第２二酸化炭素目標値Ｄ２未満ではないと判定した場合には、ステップＳ２４０−５に処理を移す。

（ステップＳ２４０−３）
二酸化炭素制御部１６４は、流量調整弁１１６ａの開度を大きくして、ステップＳ２４０−９に処理を移す。

（ステップＳ２４０−５）
二酸化炭素制御部１６４は、計測値Ｄが第２二酸化炭素目標値Ｄ２を上回っているか否かを判定する。その結果、計測値Ｄが第２二酸化炭素目標値Ｄ２を上回っていると判定した場合には、ステップＳ２４０−７に処理を移し、計測値Ｄが第２二酸化炭素目標値Ｄ２を上回っていないと判定した場合には、ステップＳ２４０−９に処理を移す。

（ステップＳ２４０−７）
二酸化炭素制御部１６４は、流量調整弁１１６ａの開度を小さくして、ステップＳ２４０−９に処理を移す。

（ステップＳ２４０−９）
窒素酸化物制御部１６６は、第１濃度計測ユニット１４０が計測したＮＯ_２の濃度（計測値Ｃ）が第１窒素酸化物目標値Ｃ１未満であるか否かを判定する。その結果、計測値Ｃが第１窒素酸化物目標値Ｃ１未満であると判定した場合には、ステップＳ２４０−１１に処理を移し、計測値Ｃが第１窒素酸化物目標値Ｃ１未満ではないと判定した場合には、ステップＳ２４０−１３に処理を移す。

（ステップＳ２４０−１１）
窒素酸化物制御部１６６は、導入量調整弁１３４ａの開度を小さくし、尿素の導入量を低減させて（脱硝率を低下させて）、当該第２運転モード処理を終了する。

（ステップＳ２４０−１３）
窒素酸化物制御部１６６は、計測値Ｃが第１窒素酸化物目標値Ｃ１を上回っているか否かを判定する。その結果、計測値Ｃが第１窒素酸化物目標値Ｃ１を上回っていると判定した場合には、ステップＳ２４０−１５に処理を移し、計測値Ｃが第１窒素酸化物目標値Ｃ１を上回っていないと判定した場合には、当該第２運転モード処理を終了する。

（ステップＳ２４０−１５）
窒素酸化物制御部１６６は、導入量調整弁１３４ａの開度を大きくし、尿素の導入量を増加させて（脱硝率を向上させて）、当該第２運転モード処理を終了する。

こうして、温室１０内が植物１２の育成を促進する雰囲気となるように、混合ガスが温室１０内に供給されることとなる。

図６は、第３運転モード処理（ステップＳ２５０）の流れを説明するフローチャートである。

（ステップＳ２５０−１）
二酸化炭素制御部１６４は、計測値Ｄが第１二酸化炭素目標値Ｄ１未満であるか否かを判定する。その結果、計測値Ｄが第１二酸化炭素目標値Ｄ１未満であると判定した場合には、ステップＳ２５０−３に処理を移し、計測値Ｄが第１二酸化炭素目標値Ｄ１未満ではないと判定した場合には、ステップＳ２５０−５に処理を移す。

（ステップＳ２５０−３）
二酸化炭素制御部１６４は、流量調整弁１１６ａの開度を大きくして、ステップＳ２５０−９に処理を移す。

（ステップＳ２５０−５）
二酸化炭素制御部１６４は、計測値Ｄが第１二酸化炭素目標値Ｄ１を上回っているか否かを判定する。その結果、計測値Ｄが第１二酸化炭素目標値Ｄ１を上回っていると判定した場合には、ステップＳ２５０−７に処理を移し、計測値Ｄが第１二酸化炭素目標値Ｄ１を上回っていないと判定した場合には、ステップＳ２５０−９に処理を移す。

（ステップＳ２５０−７）
二酸化炭素制御部１６４は、流量調整弁１１６ａの開度を小さくして、ステップＳ２５０−９に処理を移す。

（ステップＳ２５０−９）
窒素酸化物制御部１６６は、第１濃度計測ユニット１４０が計測したＮＯ_２の濃度（計測値Ｃ）が第１窒素酸化物目標値Ｃ１未満であるか否かを判定する。その結果、計測値Ｃが第１窒素酸化物目標値Ｃ１未満であると判定した場合には、ステップＳ２５０−１１に処理を移し、計測値Ｃが第１窒素酸化物目標値Ｃ１未満ではないと判定した場合には、ステップＳ２５０−１３に処理を移す。

（ステップＳ２５０−１１）
窒素酸化物制御部１６６は、導入量調整弁１３４ａの開度を小さくし、尿素の導入量を低減させて（脱硝率を低下させて）、当該第３運転モード処理を終了する。

（ステップＳ２５０−１３）
窒素酸化物制御部１６６は、計測値Ｃが第１窒素酸化物目標値Ｃ１を上回っているか否かを判定する。その結果、計測値Ｃが第１窒素酸化物目標値Ｃ１を上回っていると判定した場合には、ステップＳ２５０−１５に処理を移し、計測値Ｃが第１窒素酸化物目標値Ｃ１を上回っていないと判定した場合には、当該第３運転モード処理を終了する。

（ステップＳ２５０−１５）
窒素酸化物制御部１６６は、導入量調整弁１３４ａの開度を大きくし、尿素の導入量を増加させて（脱硝率を向上させて）、当該第３運転モード処理を終了する。

（第２実施形態：植物育成促進装置３００）
図７は、第２実施形態にかかる植物育成促進装置３００を説明する図である。図７に示すように、本実施形態にかかる植物育成促進装置３００は、燃焼排ガスの供給源１１０と、供給手段１２０と、脱硝装置１３０と、第１濃度計測ユニット１４０と、第２濃度計測ユニット１５０と、中央制御部３６０とを含んで構成される。図７中、ガスの流れを実線の矢印で示し、信号の流れを破線の矢印で示す。なお、上記第１実施形態と実質的に等しい構成については、同一の符号を付して説明を省略し、ここでは、構成の異なる中央制御部３６０について詳述する。

中央制御部３６０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成され、ＲＯＭからＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出し、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して、植物育成促進装置３００全体を管理および制御する。本実施形態において、中央制御部３６０は、運転モード選択部１６２、二酸化炭素制御部１６４、窒素酸化物制御部３６６として機能する。

窒素酸化物制御部３６６は、上記導入量調整弁１３４ａの開度の調整に加えて、エンジン１１２の空気比を制御する。

具体的に説明すると、第１運転モードにおいて、窒素酸化物制御部３６６は、上記導入量調整弁１３４ａの開度の調整に加えて、ＮＯ_２が可能な限り生成されないような空気比（第１濃度計測ユニット１４０によって計測されたＮＯ_２の濃度が第２窒素酸化物目標値となる空気比、例えば、理論空気量）となるように、流量調整弁１１８ａの開度を調整する。

また、窒素酸化物制御部３６６は、第２運転モードおよび第３運転モードにおいて、上記導入量調整弁１３４ａの開度の調整に加えて、第１濃度計測ユニット１４０によって計測されたＮＯ_２の濃度が第１窒素酸化物目標値となるように、流量調整弁１１８ａの開度を調整して、エンジン１１２の空気比を制御する。具体的に説明すると、窒素酸化物制御部３６６は、二酸化炭素制御部１６４によって決定された燃料の供給量と、目的とする空気比（第１濃度計測ユニット１４０の計測値が第１窒素酸化物目標値となる空気比）とに基づいて、流量調整弁１１８ａの開度を調整し、エンジン１１２の空気比を制御する。具体的に説明すると、窒素酸化物制御部３６６は、ＮＯ_２の濃度が第１窒素酸化物目標値未満である場合、流量調整弁１１８ａの開度を大きくし、第１窒素酸化物目標値を上回る場合、流量調整弁１１８ａの開度を小さくする。

以上説明したように、本実施形態にかかる植物育成促進装置３００によれば、窒素酸化物制御部３６６が、脱硝率の制御に加えて、エンジン１１２の空気比を制御することで、選択還元触媒１３２への尿素の導入量を低減することができる。

（第３実施形態：植物育成促進装置４００）
本実施形態にかかる植物育成促進装置４００は、上記植物育成促進装置１００と比較して、脱硝装置４３０および中央制御部４６０が異なる。以下、脱硝装置４３０および中央制御部４６０について詳述する。

図８は、第３実施形態にかかる脱硝装置４３０および中央制御部４６０を説明する図である。図８中、ガスの流れを実線の矢印で示し、信号の流れを破線の矢印で示す。なお、上記第１実施形態と実質的に等しい構成については、同一の符号を付して説明を省略し、ここでは、構成の異なる脱硝装置４３０、中央制御部４６０について詳述する。

脱硝装置４３０は、三元触媒４３２と、脱硝流路４３４と、バイパス流路４３６とを含んで構成される。

三元触媒４３２は、還元剤の添加を要さず、窒素酸化物を脱硝（還元）する脱硝触媒である。脱硝流路４３４は、供給源１１０から供給された燃焼排ガスを、三元触媒４３２を通過させて温室１０に送出する流路である。なお、脱硝流路４３４における三元触媒４３２の上流側には、流量調整弁４３４ａが設けられている。

バイパス流路４３６は、供給源１１０から供給された燃焼排ガスを、三元触媒４３２を迂回させて温室１０に送出する流路である。なお、バイパス流路４３６には、流量調整弁４３６ａが設けられている。

中央制御部４６０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成され、ＲＯＭからＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出し、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して、植物育成促進装置４００全体を管理および制御する。本実施形態において、中央制御部４６０は、運転モード選択部１６２、二酸化炭素制御部１６４、窒素酸化物制御部４６６として機能する。

窒素酸化物制御部４６６は、運転モード選択部１６２によって選択された運転モードに設定された条件にしたがって、温室１０に供給される混合ガスの単位流量あたりのＮＯ_２の生成量を増加または減少させるように、脱硝流路４３４を通過させる燃焼排ガスと、バイパス流路４３６を通過させる燃焼排ガスとの割合を調整（フィードバック制御）する。

具体的に説明すると、第１運転モードにおいて、窒素酸化物制御部４６６は、流量調整弁４３４ａを開弁するとともに、流量調整弁４３６ａを閉弁する。

また、窒素酸化物制御部４６６は、第２運転モードおよび第３運転モードにおいて、第１濃度計測ユニット１４０によって計測されたＮＯ_２の濃度が第１窒素酸化物目標値となるように、流量調整弁４３４ａおよび流量調整弁４３６ａの開度を調整して、脱硝流路４３４を通過させる燃焼排ガスと、バイパス流路４３６を通過させる燃焼排ガスとの割合を調整する。例えば、計測されたＮＯ_２の濃度が第１窒素酸化物目標値未満である場合、流量調整弁４３６ａの開度を大きくする。一方、計測されたＮＯ_２の濃度が第１窒素酸化物目標値を上回る場合、流量調整弁４３４ａの開度を大きくする。

以上説明したように、本実施形態にかかる植物育成促進装置４００によれば、温室１０内を植物１２の育成を促進する雰囲気に維持することが可能となる。

（第４実施形態：植物育成促進装置５００）
図９は、第４実施形態にかかる植物育成促進装置５００を説明する図である。図９に示すように、本実施形態にかかる植物育成促進装置５００は、供給手段１２０と、脱硝装置１３０と、第１濃度計測ユニット１４０と、第２濃度計測ユニット１５０と、中央制御部５６０とを含んで構成され、燃焼排ガスの供給源５０から供給された燃焼排ガスを脱硝して、植物１２の栽培地である温室１０に供給する。図９中、ガスの流れを実線の矢印で示し、信号の流れを破線の矢印で示す。なお、上記第１実施形態と実質的に等しい構成については、同一の符号を付して説明を省略し、ここでは、構成の異なる中央制御部５６０について詳述する。

本実施形態において、供給源５０は、火力発電所、コンクリート製造設備等であり、燃焼排ガスを排出している。そして、供給手段１２０は、供給源５０から排出された燃焼排ガスを、脱硝装置１３０を介して温室１０に供給する。

中央制御部５６０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成され、ＲＯＭからＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出し、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して、植物育成促進装置５００全体を管理および制御する。本実施形態において、中央制御部５６０は、運転モード選択部１６２、二酸化炭素制御部５６４、窒素酸化物制御部１６６として機能する。

二酸化炭素制御部５６４は、運転モード選択部１６２によって選択された運転モードに設定された条件にしたがって、供給源５０から脱硝装置１３０への燃焼排ガスの供給量を制御するように、供給手段１２０の出力を調整する。

以上説明したように、本実施形態にかかる植物育成促進装置５００によれば、供給手段１２０を制御して、脱硝装置１３０への燃焼排ガスの供給量を制御するだけで、温室１０内を植物１２の育成を促進するＣＯ_２雰囲気に維持することができ、効率よく植物１２を育成することが可能となる。

（実施例）
レタス（品種名：アノマ、トジョンマット、レッドファイヤー）、ホウレンソウ（品種名：おかめ、次郎丸草）、ハツカダイコン（品種名：コメット）、ヒロシマナ、トマト（品種名：マイクロトム）、キュウリ（品種名：はやみどり）の９種類の植物を、第１運転モードおよび第２運転モードでそれぞれ育成し、収穫後の乾燥重量を比較した。なお、第１運転モードでは、二酸化炭素目標値を１０００ｐｐｍとし、ＮＯ_２は大気環境（３ｐｐｂ）と同様として栽培を行った。また、第２運転モードでは、二酸化炭素目標範囲の下限値を６００ｐｐｍとし、窒素酸化物目標値を５０ｐｐｂとして栽培を行った。

その結果、上記９種類の植物いずれにおいても、第１運転モードと第２運転モードとで栽培した結果得られたバイオマス（収穫物）の乾燥重量に有意な差が認められなかった。

以上のことから、レタス等のキク目（Asterales）、キク科（Asteraceae）、アキノノゲシ属（Lactica）の植物、ホウレンソウ等のナデシコ目（Caryophyllales）、ヒユ科（Amaranthaceae）、アカザ亜科（Chenopodioideae）、ホウレンソウ属（Spinacia）の植物、ハツカダイコン等のアブラナ目（Brassicales）、アブラナ科（Brassicaceae）、ダイコン属（Raphanus）の植物、ヒロシマナ等のアブラナ目（Brassicales）、アブラナ科（Brassicaceae）の植物、トマト等のナス目（Solanales）、ナス科（Solanaceae）、ナス属（Solanum）の植物、キュウリ等のウリ目（Cucurbitales）、ウリ科（Cucurbitaceae）、キュウリ属（Cucumis）の植物において、二酸化炭素の濃度を下限値に維持しても窒素酸化物の濃度を最適化することで、二酸化炭素の濃度を最適化した場合と同様の収量が得られることが確認された。

これにより、消費する燃料を低減しつつ、効率よく植物を育成することができることが分かった。

また、上記結果より、温室１０内の雰囲気の二酸化炭素の濃度および窒素酸化物の濃度を双方とも最適化することで、さらに効率よく植物を育成できることが推測される。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記第１〜第３実施形態において、エンジン１１２が生成する窒素酸化物としてＮＯ_２を例に挙げて説明したが、エンジン１１２が生成する窒素酸化物の種類に限定はない。例えば、一酸化窒素（ＮＯ）、一酸化二窒素（Ｎ_２Ｏ）、三酸化二窒素（Ｎ_２Ｏ_３）、四酸化二窒素（Ｎ_２Ｏ_４）、五酸化二窒素（Ｎ_２Ｏ_５）等のＮＯ_２以外の他の１種類の窒素酸化物であってもよいし、複数種類の窒素酸化物の混合物であってもよい。

また、上記第１〜第３実施形態では、ＮＯ_２を生成するエンジン１１２を例に挙げて説明したため、第１濃度計測ユニット１４０がＮＯ_２の濃度を計測する構成を例に挙げて説明した。しかし、第１濃度計測ユニット１４０は、エンジン１１２が生成した窒素酸化物の濃度を測定すればよい。また、エンジン１１２がＮＯを生成して、ＮＯを温室１０に供給する場合、酸化装置１３６を省略することができる。

また、上記実施形態において、第１〜第３運転モードのいずれかの運転モードに設定される植物育成促進装置１００、３００、４００、５００を例に挙げて説明した。しかし、運転モードの数に限定はなく、植物育成促進装置は、少なくとも、第２運転モードおよび第３運転モードの双方または一方に設定できればよい。

また、上記実施形態では、１の運転モードにおいて、二酸化炭素制御部が制御処理を遂行する際の閾値となる二酸化炭素目標値が１つである場合を例に挙げて説明した。しかし、目標値に幅を持たせ（目標上限値と目標下限値とを設け）、第２濃度計測ユニット１５０が計測した二酸化炭素の濃度が目標下限値以上目標上限値未満の範囲内に維持されるように、制御処理を遂行してもよい。例えば、二酸化炭素制御部１６４は、二酸化炭素の濃度が目標下限値未満になったら流量調整弁１１６ａの開度を大きくし、目標上限値以上になったら開度を小さくするとよい。

また、上記実施形態では、１の運転モードにおいて、窒素酸化物制御部が制御処理を遂行する際の閾値となる窒素酸化物目標値が１つである場合を例に挙げて説明した。しかし、目標値に幅を持たせ（目標上限値と目標下限値とを設け）、第１濃度計測ユニット１４０が計測した窒素酸化物の濃度が目標下限値以上目標上限値未満の範囲内に維持されるように、制御処理を遂行してもよい。例えば、窒素酸化物制御部１６６は、窒素酸化物の濃度が目標下限値未満になったら導入量調整弁１３４ａの開度を小さくし、目標上限値以上になったら開度を大きくするとよい。

また、上記第１〜第３実施形態の第１運転モードでは、第２濃度計測ユニット１５０が計測したＣＯ_２の濃度が十分である場合（第１二酸化炭素目標値を満たしている場合）であっても、エンジン１１２による燃焼を停止しない構成を例に挙げて説明した。しかし、第２濃度計測ユニット１５０が計測したＣＯ_２の濃度が、第１二酸化炭素目標値を満たしている場合、エンジン１１２による燃焼を停止するとしてもよい。

また、上記第１〜第３実施形態の第２、第３運転モードでは、第２濃度計測ユニット１５０が計測したＣＯ_２の濃度が十分であり（第１二酸化炭素目標値もしくは第２二酸化炭素目標値を満たしている場合）、かつ、第１濃度計測ユニット１４０が計測したＮＯ_２の濃度が十分である場合（第１窒素酸化物目標値を満たしている場合）であっても、エンジン１１２による燃焼を停止しない構成を例に挙げて説明した。しかし、第２濃度計測ユニット１５０が計測したＣＯ_２の濃度が、第１二酸化炭素目標値もしくは第２二酸化炭素目標値を満たし、かつ、第１濃度計測ユニット１４０が計測したＮＯ_２の濃度が第１窒素酸化物目標値を満たしている場合、エンジン１１２による燃焼を停止するとしてもよい。

また、上記第３実施形態では、脱硝装置４３０がバイパス流路４３６を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、バイパス流路は、脱硝装置の外部に設けられていてもよい。

また、上記第１実施形態では、トリジェネレーションシステム（供給源１１０）として、エンジン１１２と発電機１１４とを含んで構成される構成を例に挙げて説明した。しかし、供給源１１０は、燃焼排ガスを供給できれば、構成に限定はなく、ガスタービンを含んで構成されるトリジェネレーションシステムを、燃焼排ガスの供給源として採用することもできる。

なお、本明細書の植物栽培方法の各工程は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、並列的あるいはサブルーチンによる処理を含んでもよい。

本発明は、植物の育成を促進する植物育成促進装置に利用することができる。

１００、３００、４００、５００植物育成促進装置
１１２エンジン
１１４発電機
１２０供給手段
１３０、４３０脱硝装置
１３２選択還元触媒（脱硝触媒）
１３４還元剤導入部
１６２運転モード選択部
１６４、５６４二酸化炭素制御部
１６６、３６６、４６６窒素酸化物制御部
４３２三元触媒（脱硝触媒）
４３４脱硝流路
４３６バイパス流路

Claims

燃焼排ガスの供給源から供給された燃焼排ガスを脱硝する脱硝触媒を含んで構成され、二酸化炭素および窒素酸化物を含む混合ガスを生成する脱硝装置と、
前記脱硝装置によって生成された前記混合ガスを植物の栽培地に供給する供給手段と、
前記供給手段によって供給される前記混合ガスの単位流量あたりの窒素酸化物の量を増加または減少させるように、前記脱硝装置を制御する窒素酸化物制御部と、
を備えたことを特徴とする植物育成促進装置。
前記脱硝装置は、
前記脱硝触媒としての選択還元触媒と、
還元剤および該還元剤の前駆物質のいずれか一方または双方を前記選択還元触媒に導入する還元剤導入部と、
を含んで構成され、
前記窒素酸化物制御部は、前記還元剤導入部が導入する、還元剤および該還元剤の前駆物質のいずれか一方または双方の導入量を調整することを特徴とする請求項１に記載の植物育成促進装置。
前記燃焼排ガスの供給源から供給された前記燃焼排ガスを、前記脱硝触媒を通過させて前記栽培地に送出する脱硝流路と、
前記燃焼排ガスの供給源から供給された前記燃焼排ガスを、前記脱硝触媒を迂回させて前記栽培地に送出するバイパス流路と、
を含んで構成され、
前記窒素酸化物制御部は、前記脱硝流路を通過させる燃焼排ガスと、前記バイパス流路を通過させる燃焼排ガスとの割合を調整することを特徴とする請求項１に記載の植物育成促進装置。
前記燃焼排ガスの供給源は、
エンジンと、
前記エンジンによって発電する発電機と、
を含んで構成され、
前記栽培地の雰囲気中の二酸化炭素の濃度が、所定の二酸化炭素目標値に維持されるように、前記エンジンへの燃料の供給量を制御する二酸化炭素制御部を備え、
前記窒素酸化物制御部は、前記栽培地の雰囲気中の窒素酸化物の濃度が、所定の窒素酸化物目標値に維持されるように、フィードバック制御を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の植物育成促進装置。
前記窒素酸化物制御部は、前記エンジンによる窒素酸化物の生成量を増加または減少させるように、該エンジンの空気比を制御することを特徴とする請求項４に記載の植物育成促進装置。
前記栽培地の雰囲気中の二酸化炭素の濃度が、所定の二酸化炭素目標値に維持されるように、前記燃焼排ガスの供給源から前記脱硝装置へ供給される燃焼排ガスの供給量を制御する二酸化炭素制御部を備え、
前記窒素酸化物制御部は、前記栽培地の雰囲気中の窒素酸化物の濃度が、所定の窒素酸化物目標値に維持されるように、フィードバック制御を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の植物育成促進装置。
作業者による操作入力に応じて、複数の運転モードから１の運転モードを選択する運転モード選択部を備え、
前記複数の運転モードには、少なくとも、
前記二酸化炭素目標値が第１二酸化炭素目標値に設定され、前記窒素酸化物目標値が第１窒素酸化物目標値に設定される運転モードと、
前記二酸化炭素目標値が前記第１二酸化炭素目標値未満の第２二酸化炭素目標値に設定され、前記窒素酸化物目標値が前記第１窒素酸化物目標値に設定される運転モードと、
が含まれることを特徴とする請求項４から６のいずれか１項に記載の植物育成促進装置。