WO2019092869A1

WO2019092869A1 - プラントシステム

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Publication number: WO2019092869A1
Application number: PCT/JP2017/040668
Authority: WO
Inventors: 亘宮澤; 康希中原
Original assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2017-11-12
Filing date: 2017-11-12
Publication date: 2019-05-16
Anticipated expiration: 2020-05-12

Abstract

プラント機構部１２とプラント制御部３２とを備えるプラントシステムであって、プラント機構部は、育成ハウス１４と、光源部１８と、光センサ２０と、生物センサ１７と、電力源２４とを備え、プラント制御部は、生物に適した生育条件を記憶したデータベース３４と、光源制御部３６と、集中制御部３９とを備え、光源制御部は、光センサで検出した生育部内の光強度と、生育条件に含まれる光強度とを比較するとともに、生物センサで検出した生物の物理的・化学的状態と、生育条件に含まれる生物の物理的・化学的状態とを比較して、生育部内の光環境が生育条件に適合した光環境となるように光源部の動作を制御するプラントシステム。　育成中の生物の状態（その時点での生物の状態）に応じた適切な光環境の下で生物を育成することが可能となり、従来よりも高品質の生物を従来よりも低い消費エネルギーで育成することが可能となる。

Description

プラントシステム

　本発明は、プラントシステムに関する。

　近年、植物の育成環境を人工的に構築した様々なタイプの植物工場が注目されている。これらの植物工場は、無農薬で高品質の植物（野菜、果物等）を自然環境に左右されずに効率的に大量生産できるという特徴を有する。植物工場には、太陽光利用型の植物工場と、人工光源による完全制御型の植物工場とがある。

　特許文献１に記載の植物工場は、太陽光利用型の植物工場であって、生育室への電力、熱及び光のエネルギーの入力を最適に管理する入力エネルギー制御装置と、生育室で消費する消費エネルギーを最適に管理する消費エネルギー制御装置と、生育室で栽培する植物の種類に応じた最適育成環境のデータを格納するデータバンクとを有し、該データバンクのデータに基づいて、植物栽培棚における光・温度・湿度・肥料・ＣＯ_２をコントロールする植物育成管理装置と、入力エネルギー制御装置、消費エネルギー制御装置及び植物育成管理装置を総合的に制御する統合マネージメント装置とを備える植物工場である。特許文献１に記載の植物工場によれば、低エネルギーコストで高品質の植物（野菜）を栽培することができるとされている。

　特許文献２に記載の植物工場は、完全制御型の植物工場であって、植物を収容する栽培空間を有する筐体と、筐体の上部に備えられ、栽培空間に収容された植物の生育に必要な栽培光を照射する光源と、光源の点灯を行う光源制御装置と、光源制御装置を制御するコンピュータと、明暗サイクルを設定するための入力手段であるキーボードと、キーボードから設定された明暗サイクルを記憶する記憶手段であるメモリ装置と、栽培空間内の温度や湿度を表示する表示手段であるディスプレイとを有する植物工場（植物栽培装置）である。特許文献２に記載の植物工場によれば、例えば、暗期の終期が植物の概日リズムにおける夜明け時刻から１～３時間前となるように光源を点灯制御することなどにより、植物が有する植物固有の概日リズムを利用して植物を効率的に栽培することができる。

特開２０１２‐２３１７２１号公報国際公開２０１２／１０２３７２号

　しかしながら、特許文献１に開示された植物工場においては、人工光源と太陽光とを併用しているため、ある程度消費エネルギーを低減することは可能であるが、育成中の生物の状態（その時点での生物の状態）に合わせてた形で人工光源と太陽光源とを用いていないため、実際上、消費エネルギーを大きく低減することは容易でない。

　また、特許文献２に開示された植物工場においては、概日リズムに依存した環境を制御し易いが、育成中の生物の状態（その時点での生物の状態）に合わせてた形で人工光源を用いていないため、やはり、消費エネルギーを大きく低減することは容易でない。

　また、これらの植物工場においては、育成中の植物の状態（その時点での生物の状態）に応じた適切な光環境の下で植物を栽培している訳ではないことから、高品質の植物を低い消費エネルギーで栽培することは容易でない。

　なお、上記の事情は、植物を育成する場合だけに存在するだけでなく、植物、動物（魚類、家畜など）をはじめ生物を育成する場合全般に存在する事情である。

　そこで、本発明はこのような背景のもとでなされたものであり、育成中の生物の状態に応じた適切な光環境の下で生物を育成することにより、従来よりも高品質の生物を従来よりも低い消費エネルギーで育成することが可能なプラントシステムを提供することを目的とする。

［１］本発明のプラントシステムは、プラント機構部と、前記プラント機構部の動作を制御するプラント制御部とを備えるプラントシステムであって、前記プラント機構部は、生物の生育部を設けた育成ハウスと、複数の光源が配置された光源部と、前記生育部内の光強度を検出する光センサと、前記生物の物理的・化学的状態を検出する生物センサと、動作に必要な電力を供給する電力源とを備え、前記プラント制御部は、前記生物に適した生育条件を記憶したデータベースと、前記光源部の動作を制御する光源制御部と、前記データベース及び前記光源制御部の動作連携を制御する集中制御部とを備え、前記光源制御部は、前記光センサで検出した前記生育部内の光強度と、前記データベースの前記生育条件に含まれる光強度とを比較するとともに、前記生物センサで検出した前記生物の物理的・化学的状態と、前記データベースの前記生育条件に含まれる前記生物の物理的・化学的状態とを比較して、前記生育部内の光環境が前記生育条件に適合した光環境となるように前記光源部の動作を制御することを特徴とする。

　本発明のプラントシステムによれば、プラント機構部が、光源部と、生育部内の光強度を検出する光センサと、生物の物理的・化学的状態を検出する生物センサとを備え、プラント制御部が、生物に適した生育条件を記憶したデータベースと、光源部の動作を制御する光源制御部とを備え、光源制御部が、生育部内の光強度と、生育条件に含まれる光強度とを比較するとともに、生物の物理的・化学的状態と、生育条件に含まれる生物の物理的・化学的状態とを比較して、生育部内の光環境が生育条件に適合した光環境となるように光源部の動作を制御することから、育成中の生物の状態（その時点での生物の状態）に応じた適切な光環境の下で生物を育成することが可能となり、従来よりも高品質（味が良い、食感がよい、外観がよい、栄養豊富、滋養に富むなど）の生物を従来よりも低い消費エネルギーで育成することが可能となる。

　これは、高品質の生物が育成される光環境の下（例えば、味の良い植物が栽培される光環境の下）で生物を育成すれば高品質の生物（味の良い植物）を育成することが可能となり、また、高品質の生物が育成可能な光環境のなかで最も低いエネルギーしか消費しない光環境の下で生物を育成すれば、高品質の生物を従来よりも低い消費エネルギーで育成することが可能となるからである。しかも、これを、育成中の生物の状態（その時点での生物の状態）に応じ適切な光環境の下で行うからである。

　本発明のプラントシステムにおいては、光センサとして、生育部内の全体的な光強度を検出する光センサを用いることもできるが、生育部内の所定位置における光強度を検出する光センサや生育部内の所定位置において所定角度で入射する光強度を検出する光センサを用いることもできる。例えば、生育部の上方から下方に向かって進行する光の光強度と、生育部の下方から上方に向かって進行する光の光強度と、生育部の横方向に沿って進行する光の光強度をそれぞれ独立して検出する光センサ、生物が植物である場合に、植物の葉の表側に入射する光の強度と植物の葉の裏側に入射する光の強度をそれぞれ独立して検出する光センサなどを用いることができる。

　また、本発明のプラントシステムにおいては、光センサとして、光の強度のみならず、光の波長も検出可能な光センサを用いることが好ましく、また、光の波長（又は光の所定の波長領域）毎に光強度が検出可能な光センサを用いることがより一層好ましい。

　これらのような構成とすることにより、育成中の生物の状態（その時点での生物の状態）に応じた、より一層適切な光環境（主として、光がどのような当たり方で照射されているのかの観点でより一層適切な光環境）の下で生物を育成することが可能となり、従来よりもより一層高品質の生物を従来よりもより一層低い消費エネルギーで育成することが可能となる。

　本発明のプラントシステムにおいては、光源部として、生育部内の全体的な光環境（光強度）を形作る光源部を用いることもできるが、生育部内の所定位置における光環境（光強度）を形作る光源部や生育部内の所定位置において所定角度毎の光環境（光強度）を形作る光源部を用いることもできる。例えば、生育部の上方から下方に向かって進行する光の光強度と、生育部の下方から上方に向かって進行する光の光強度と、生育部の横方向に沿って進行する光の光強度をそれぞれ独立して調整可能な光源部、生物が植物である場合に、植物の葉の表側に入射する光の強度と植物の葉の裏側に入射する光の強度をそれぞれ独立して調整可能な光源部などを用いることができる。

　また、本発明のプラントシステムにおいては、光源部として、光の強度のみならず、光の波長も調整可能な光源部を用いることが好ましく、この場合、光の波長（又は光の所定の波長領域）毎に光強度が調整可能な光源部を用いることがより一層好ましい。

　これらのような構成とすることにより、育成中の生物の状態（その時点での生物の状態）に応じたより一層適切な光環境（主として、どのような波長の光が照射されているのかの観点でより一層適切な光環境）の下で生物を育成することが可能となり、従来よりもより一層高品質の生物を従来よりもより一層低い消費エネルギーで育成することが可能となる。

　生物センサとしては、生物が発する音を計測する生物センサ、生物を叩いたときの音を計測する生物センサ、生物の電気的特性（例えば、生物の表面抵抗、生物の内部抵抗、生物の静電容量、生物のインダクタンスなど）を計測する生物センサ、生物の色を計測する生物センサ、生物のｐＨを計測する生物センサ、生物が発する化学物質の種類又は量を計測する生物センサ、生物が発する臭いを計測する生物センサ、生物の重さを計測する生物センサ、生物の大きさを計測する生物センサ、生物の形状を計測する生物センサなどを例示することができる。生物が植物である場合には、植物の葉の茂り具合を計測する生物センサ、生物の根の張り具合を計測する生物センサなども例示することができる。なお、生物の電気的特性は、直流における電気的特性であってもよいし、交流における電気的特性であってもよいし、過渡的な電気的特性であってもよいし、それらのうち２つ以上であってもよい。また、交流における電気的特性の場合には、低周波数における電気的特性であってもよいし、高周波数における電気的特性であってもよいし、任意の周波数における電気的特性であってもよい。

　本発明のプラントシステムにおいては、プラント制御部は、前記生物センサの動作を制御する生物センサ制御部をさらに備え、前記集中制御部は、前記データベース及び前記光源制御部に加えて前記生物センサ制御部の動作連携を制御することが好ましい。例えば、生物の色を計測する場合において、生物センサ制御部は、生物センサが、生物のどの部分（例えば、茎の部分、葉の部分、実の部分、へたの部分など）の色を計測するかを制御したり、生物の色をどの方向から計測する（例えば、葉の場合、葉の表から計測する、葉の裏から計測する、全体を平均して計測するなど）かを制御したり、どのタイミングで（例えば、１日おきに、１時間おきに、１分おきになど）生物の色を計測するかを制御したりする。

　本発明のプラントシステムにおいては、生育条件には、例えば、生物が育成段階に応じて、どのような光環境の下で育成するのが好適なのか、どのような温湿度環境の下で育成するのが好適なのか、どのような水分供給量の下で育成するのが好適なのか、どのような養分供給量の下で育成するのが好適なのか、どのような組成の空気環境の下で育成するのが好適なのか、どのような風環境の下で育成するのが好適なのか、どのような音環境の下で育成するのが好適なのか、どのようなストレス環境の下で育成するのが好適なのかなど、生物の育成に影響のある条件のあらゆるものが含まれる。

［２］本発明のプラントシステムにおいては、前記生物の物理的・化学的状態は、音、電気及び化学のいずれかに係るパラメータで表される情報を含むことが好ましい。

　本態様のプラントシステムによれば、生物の物理的・化学的状態が、音、電気及び化学のいずれかに係るパラメータで表される情報を含むことから、生物センサを用いて生物の物理的・化学的状態を客観的に検出することができる。

　音、電気及び化学のいずれかに係るパラメータとしては、生物が発する音、生物を叩いたときの音、生物の電気的特性（例えば、生物の表面抵抗、生物の内部抵抗、生物の静電容量、生物のインダクタンスなど）、生物の色、生物のｐＨ、生物が発する化学物質の種類及び量、生物が発する臭い、生物の重さ、生物の大きさ、生物の形状などがあり、生物が植物である場合には、植物の葉の茂り具合、生物の根の張り具合などもある。なお、生物の電気的特性は、直流における電気的特性であってもよいし、交流における電気的特性であってもよいし、過渡的な電気的特性であってもよいし、それらのうち２つ以上であってもよい。また、交流における電気的特性の場合には、低周波数における電気的特性であってもよいし、高周波数における電気的特性であってもよいし、任意の周波数における電気的特性であってもよい。

［３］本発明のプラントシステムにおいては、前記光源は、ＬＥＤ又は有機ＥＬを含み、前記光源制御部は、前記ＬＥＤ又は前記有機ＥＬに流す電流を最小駆動電流～最大駆動電流の範囲内で段階的又は連続的に制御することによって、前記ＬＥＤ又は前記有機ＥＬの光強度を制御することが好ましい。

　本態様のプラントシステムによれば、光源から放射される光の強度を高精度に制御することが可能となることから、育成中の生物の状態に応じたより一層適切な光環境の下で生物を育成することが可能となり、より一層高品質の生物をより一層低い消費エネルギーで育成することが可能となる。但し、本発明において、光源は、放電管であってもよい。

［４］本発明のプラントシステムにおいては、前記ＬＥＤ又は前記有機ＥＬは、１つのパッケージに赤色発光素子、緑色発光素子又は青色発光素子のうち少なくとも２つの発光素子をそれぞれ複数個使用した構成を有し、前記光源制御部は、前記赤色発光素子、前記緑色発光素子及び前記青色発光素子のうち少なくとも２つの発光素子について、各前記発光素子を独立して駆動制御することが好ましい。

　本態様のプラントシステムによれば、光源から放射される光の色や強度をより一層高精度に制御することが可能となることから、育成中の生物の状態に応じたより一層適切な光環境の下で生物を育成することが可能となり、より一層高品質の生物をより一層低い消費エネルギーで育成することが可能となる。

［５］本発明のプラントシステムにおいては、前記光源制御部による制御は、各前記発光素子を一括して同時に駆動する一括駆動制御、又は、各前記発光素子を所定のグループ毎に分割駆動する分割駆動制御であることが好ましい。

　本態様のプラントシステムによれば、一括駆動制御の場合には、駆動装置が単純化され、全体として低コストなプラントシステムを実現できる。また、分割駆動制御の場合には、各発光素子を適切なタイミングで発光させることが可能となることから、育成中の生物の状態に応じたより一層適切な光環境の下で生物を育成することが可能となり、より一層高品質の生物をより一層低い消費エネルギーで育成することが可能となる。また、各グループ毎に発光タイミングをずらすことにより、電力源の負担が軽減され、全体として省エネルギーでコンパクトなプラントシステムを実現できる。

［６］本発明のプラントシステムにおいては、前記光源制御部による制御は、各前記発光素子を所定のグループ毎にパルス駆動するパルス分割駆動制御であり、前記パルス分割駆動制御は、異なる前記グループ間で各前記発光素子の発光が時間的に重ならないように各前記発光素子を駆動するインターリーブ駆動であることが好ましい。

　本態様のプラントシステムによれば、上記のようなインターリーブ駆動により発光素子を駆動することから、電力源の負担が軽減され、全体として省エネルギーでコンパクトなプラントシステムを実現できる。

　なお、本態様のプラントシステムにおいては、光源制御部は、光センサでの受光強度が生育条件における最適光強度の７０～８０％の範囲内となるように光源部の動作を制御することが好ましい。

［７］本発明のプラントシステムにおいては、前記光源制御部による制御は、各前記発光素子を点滅駆動して混合色を射出させる点滅制御と、各前記発光素子を調光駆動して混合色を射出させる調光制御とを含むことが好ましい。

　本態様のプラントシステムによれば、点滅制御及び調光制御の両方の制御が可能となることから、育成中の生物の状態に応じたより一層適切な光環境の下で生物を育成することが可能となり、より一層高品質の生物をより一層低い消費エネルギーで育成することが可能となる。

［８］本発明のプラントシステムにおいては、前記光源は、紫外線を発光する紫外線光源、遠赤色光を発光する遠赤色光源及び白色光を発光する白色光源のうちの少なくとも１つをさらに含むことが好ましい。

　本態様のプラントシステムによれば、光源が、紫外線光源、遠赤色光源及び白色光源のうちの少なくとも１つをさらに含むことから、育成中の生物の状態に応じたより一層適切な光環境の下で生物を育成することが可能となり、より一層高品質の生物をより一層低い消費エネルギーで育成することが可能となる。

　なお、本態様のプラントシステム（光源が、紫外線光源、遠赤色光源及び白色光源のうちの少なくとも１つをさらに含むプラントシステム）においても、光源制御部による制御は、紫外線光源、遠赤色光源及び白色光源のうちの少なくとも１つを点滅駆動して混合色を射出させる点滅制御と、紫外線光源、遠赤色光源及び白色光源のうちの少なくとも１つを調光駆動して混合色を射出させる調光制御とを含むことが好ましい。

［９］本発明のプラントシステムにおいては、前記プラント機構部は、前記生育部内の温度及び湿度を検知する温湿度センサと、前記生育部内の温度及び湿度を調整する温湿度調整部とをさらに備え、前記プラント制御部は、前記温湿度調整部を制御する温湿度制御部をさらに備え、前記温湿度制御部は、前記温湿度センサで検知した温度及び湿度と、前記生育条件に含まれる温度及び湿度とを比較して、前記生育部内の温度及び湿度が前記生育条件に適合した温度及び湿度となるように前記温湿度調整部を制御することが好ましい。

　本態様のプラントシステムによれば、生育部内の温度及び湿度が生育条件に適合した温度及び湿度となるように温湿度調整部を制御することから、育成中の生物の状態に応じた適切な温湿度環境の下で生物を育成することが可能となり、より一層高品質の生物をより一層低い消費エネルギーで育成することが可能となる。

［１０］本発明のプラントシステムにおいては、前記プラント機構部は、太陽光を反射して前記育成ハウス内に取り込む反射機能と前記太陽光を遮光する遮光機能とを有する太陽光調整板をさらに備え、前記プラント制御部は、太陽の移動に追従して又は太陽光を遮光するように、前記太陽光調整板の姿勢を変化させる姿勢制御又は前記太陽光調整板を移動させる移動制御を行う太陽光調整板制御部をさらに備え、前記太陽光調整板制御部は、前記光センサで検知した光強度と、前記生育条件に含まれる光強度とを比較して、前記生育部内の光環境が前記生育条件に適合した光環境となるように前記太陽光調整板の姿勢制御又は移動制御を行うことが好ましい。

　本態様のプラントシステムによれば、太陽光調整板制御部が、光センサで検知した光強度と、生育条件に含まれる光強度とを比較して、生育部内の光環境が生育条件に適合した光環境となるように太陽光調整板の姿勢制御又は移動制御を行うことから、太陽光を利用しながらも、育成中の生物の状態に応じた適切な光環境の下で生物を育成することが可能となり、高品質の生物をより一層低い消費エネルギーで育成することが可能となる。また、本態様のプラントシステムによれば、太陽光を育成ハウス内に取り込むことが可能となることから、より一層低い消費エネルギーで育成することが可能となる。

［１１］本発明のプラントシステムにおいては、前記プラント制御部は、太陽光による補光を制限する補光制御部をさらに備え、前記光源制御部は、前記光センサが検出した光強度と、前記生育条件に含まれる光強度とを比較して、前記光センサが検出した光強度が前記生育条件に含まれる光強度より低い場合には前記光源を駆動して不足分を補光し、前記補光制御部は、前記光センサが検出した光強度と、生育条件に含まれる光強度とを比較して、前記光センサが検出した光強度が生育条件に含まれる光強度より高い場合には前記太陽光調整板の姿勢制御又は移動制御を行って太陽光による補光を制限することが好ましい。

　本態様のプラントシステムによれば、太陽光の光強度が低い場合には光源で補光し、太陽光の光強度が高い場合には太陽光による補光(又は太陽光の供給）を絞ることにより、太陽光を利用しながらも、常に、育成中の生物の状態に応じた適切な光環境の下で生物を育成することが可能となり、高品質の生物をより一層低い消費エネルギーで育成することが可能となる。

　なお、本態様のプラントシステムにおいては、太陽光調整板には、生物に有害な波長の光をカットする光学フィルタ又は太陽光を生育部に導光する光ファイバが設けられていることが好ましい。

　本態様のプラントシステムによれば、太陽光調整板には、光学フィルタ又は光ファイバが設けられていることから、太陽光を利用しながらも、常に、育成中の生物の状態に応じた適切な光環境の下で生物を育成することが可能となり、高品質の生物をより一層低い消費エネルギーで育成することが可能となる。

［１２］本発明のプラントシステムにおいては、前記プラント機構部は、前記生物に供給する養液を貯蔵した養液槽を有する養液供給部をさらに備え、前記プラント制御部は、前記養液を前記生物に供給する養液供給制御部をさらに備え、前記養液供給制御部は、前記生物センサで検出した前記生物の物理的・化学的状態と、前記生育条件に含まれる前記生物の物理的・化学的状態とを比較し、前記養液の組成、供給量及び温度のうち少なくとも１つが前記生育条件に適合した養液の組成、供給量及び温度のうち少なくとも１つとなるように前記養液供給部の動作を制御することが好ましい。

　本態様のプラントシステムによれば、養液の組成、供給量及び温度のうち少なくとも１つが生育条件に適合した養液の組成、供給量及び温度のうち少なくとも１つとなるように養液供給部の動作を制御することから、育成中の生物の状態に応じた適切な養液供給環境の下で生物を育成することが可能となり、より一層高品質の生物をより一層低い消費エネルギーで育成することが可能となる。

［１３］本発明のプラントシステムにおいては、前記養液供給部は、魚類の養殖を行う水槽をさらに備え、前記養液供給部は、前記魚類の排泄物を含む養液を前記生育部に供給することが好ましい。

　本態様のプラントシステムによれば、魚類の排泄物を含む養液を生育部に供給することから、魚類の排泄物を有効利用して、育成中の生物の状態に応じた適切な養液供給環境の下で生物を育成することが可能となり、より一層高品質の生物をより一層低い消費エネルギーで育成することが可能となる。

［１４］本発明のプラントシステムにおいては、前記生物は植物を含み、前記育成ハウスは植物栽培ハウスを含み、前記データベースは、前記生育条件として、前記植物の概日リズムによる生育条件を記憶するとともに、前記生物の成長速度を制御するための、光強度ストレスデータ、温度ストレスデータ又は乾燥ストレスデータを含む環境ストレスデータを記憶することが好ましい。

　本態様のプラントシステムによれば、データベースが、生育条件として植物の概日リズムによる生育条件を記憶するとともに、生物の成長速度を制御するための、光強度ストレスデータ、温度ストレスデータ又は乾燥ストレスデータを含む環境ストレスデータを記憶することから、適度な成長抑制期間を置きながら植物を栽培することが可能となり、より一層高品質の植物をより一層低い消費エネルギーで栽培することが可能となる。

［１５］本発明のプラントシステムにおいては、前記プラント機構部は、前記生育部で育成する生物の監視装置をさらに備え、前記プラント制御部は、通信部と、インターネットを介してパーソナルコンピュータ又は携帯用端末から前記生育条件の変更又は修正を行う機能、及び、前記監視装置による監視情報又は外部から提供される気象情報に基づいて生育条件の変更又は修正を行う機能を備えた生育条件制御部とを備えることが好ましい。

　本態様のプラントシステムによれば、監視装置による監視情報又は外部から提供される気象情報に基づいて生育条件の変更及び修正を行う機能を備えた生育条件制御部とを備えることから、より一層高品質の生物をより一層低い消費エネルギーで育成することが可能となる。

［１６］本発明のプラントシステムにおいては、前記プラント制御部は、前記電力源の動作を制御する電力源制御部をさらに備え、前記集中制御部は、前記データベース及び前記光源制御部に加えて前記電力源制御部の動作連携を制御することが好ましい。

　本態様のプラントシステムによれば、生育部の環境（光強度、温湿度など）、外部環境（季節、時刻、天候、気温、湿度）、生物の物理的・化学的状態などに応じて、電力源の動作を適切に制御することができることから、高品質の生物をより一層低い消費エネルギーで育成することが可能となる。

［１７］本発明のプラントシステムにおいては、前記電力源は、再生可能エネルギーを利用した電力を用いた電力源であり、前記再生可能エネルギーは、太陽光、風力、水力、地熱、太陽熱、自然界に存在する熱、廃棄物処理エネルギー又はバイオマスをエネルギー源とするものであることが好ましい。

　本態様のプラントシステムによれば、プラント機構部が、電力源として、再生可能エネルギーを利用した電力を用いた電力源を備えることから、消費エネルギーをより一層低減することができる。この場合、プラント制御部が、電力源の動作を制御する電力源制御部をさらに備えるものである場合には、再生可能エネルギーが一般的には自然環境に左右されやすいエネルギー源であってとしても、プラントシステムを安定して稼働させることが可能となる。

　本態様のプラントシステムにおいては、電力源は、電力源として、再生可能エネルギーのみを利用した電力を用いた電力源であってもよいが、通常の電力源からの電力と、再生可能エネルギーを利用した電力を併用した電力源であることが好ましい。

［１８］本発明のプラントシステムにおいては、前記電力源は、第１コンバータと、電力を蓄えるバッテリと、第２コンバータとを備え、前記第１コンバータは、前記再生可能エネルギーから産生された電力を負荷に対応した電力に変換する機能を有する単方向スイッチング型のスイッチングデバイスからなり、前記第２コンバータは、前記第１コンバータが変換した電力を前記バッテリに対応した電力に変換する機能及び前記バッテリに蓄えた電力を負荷に対応した電力に変換する機能を有する双方向スイッチング型のスイッチングデバイスからなることが好ましい。

　本態様のプラントシステムは、電力源が、上記のように構成された、第１コンバータと、バッテリと、第２コンバータとを備えることから、自然エネルギーを利用可能なシステムでありながら、自然エネルギーの産出状況に左右されずに安定稼働可能なプラントシステムとなる。

［１９］本発明のプラントシステムにおいては、前記第１コンバータ及び前記第２コンバータのいずれか一方又は両方は、窒化ガリウム製半導体素子、炭化ケイ素製半導体素子及び酸化ガリウム製半導体素子のうち少なくとも１つを含むスイッチングデバイスからなることが好ましい。

　本態様のプラントシステムによれば、第１コンバータ及び第２コンバータのいずれか一方又は両方が、スイッチングのオン／オフ速度が高スルーレートであり、かつ、高い周波数で動作可能な半導体素子を含むスイッチングデバイスからなることから、電力源が高効率なものとなり、消費エネルギーをより一層低減することができる。

　本態様のプラントシステムにおいては、第１コンバータ及び前記第２コンバータは、少なくともスイッチング周波数又はデューティを変えることで電圧を制御する機能を有することが好ましい。

　本態様のプラントシステムによれば、スイッチング周波数又はデューティの制御を、電力源制御部及び／又は集中制御部の制御に基づいて行うことにより、電力源が、システムに必要な電力を光センサや生物センサの情報に応じて供給することが可能となり、従来よりも消費エネルギーをより一層低減することができる。

［２０］本発明のプラントシステムにおいては、前記プラント機構部は、太陽光から電力及び熱を産生可能な太陽光パネルをさらに備え、前記太陽光パネルに蓄えられた熱を、前記太陽熱として、「前記育成ハウス」、「生物に供給する養液を貯蔵した養液槽」及び「生物に供給する水を貯蔵した水槽」のうち少なくとも１つに供給することが好ましい。

　本態様のプラントシステムによれば、太陽光パネルが産生した熱を太陽熱として育成ハウス、養液槽及び水槽のうち少なくとも１つに供給して循環させることが可能となることから、消費エネルギーをより一層低減することができる。

本発明の一実施形態例におけるプラントシステムの概念を示すブロック図である。概日リズムを説明するために示す概念図である。１日（２４時間）における太陽光の光強度の変化を説明するために示す図である。複数のＬＥＤ光源の多重分割駆動を説明するために示す図である。試作した実施例の概略を示す図である。ＬＥＤ電源回路を説明するために示す回路図である。３色発光ＬＥＤ９４を説明するために示す図である。ＬＥＤ照明用ドライバＩＣの出力特性１００を示す図である。第１コンバータ２００を説明するために示す図である。第２コンバータ３００を説明するために示す図である。

　本発明のプラントシステムは、生物の育成を行うプラントシステムであり、対象は植物の他、魚類等も含んでいる。植物は地上で生育する植物と水中で生育する水草や海草があり、魚類は川魚や海の魚、更には深海魚等などがある。プラントシステムは、それぞれの対象に合わせて構成され、育成生物の性質や特性をベースに最適な条件になるように制御している。本実施形態においては、多種類の植物栽培が可能で、かつ、省エネルギー化が可能な植物プラントシステムを例示している。

　以下、本発明を、図に示す実施の形態を用いて詳細に説明する。なお、本実施形態における構成要素は適宜、既存の構成要素等との置き換え、他の既存の構成要素との組合せなどの様々なバリエーションが可能である。従って、本実施形態の記載をもって請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。

１．実施形態に係るプラントシステム１０の構成
　図１は、本発明の一実施形態例におけるプラントシステムの概念を示すために示すブロック図である。実施形態に係るプラントシステム１０は、図１に示すように、プラント機構部１２とプラント制御部３２とを備える。

　プラント機構部１２は、生物の生育部１６を設けた育成ハウス１４と、複数の光源が配置された光源部１８と、生育部１６内の光強度を検出する光センサ２０と、生物の物理的・化学的状態を検出する生物センサ１７と、動作に必要な電力を供給する電力源２４とを備える。

　プラント制御部３２は、生物に適した生育条件を記憶したデータベース３４と、光源部１８の動作を制御する光源制御部３６と、データベース３４及び光源制御部３６の動作連携を制御する集中制御部３９とを備える。

　光源制御部３６は、光センサ２０で検出した生育部１６内の光強度と、データベース３４の生育条件に含まれる光強度とを比較するとともに、生物センサ１７で検出した生物の物理的・化学的状態と、データベース３４の生育条件に含まれる生物の物理的・化学的状態とを比較して、生育部１６内の光環境が生育条件に適合した光環境となるように光源部１８の動作を制御する。

　実施形態に係るプラントシステム１０においては、光センサ２０として、生育部１６内の全体的な光強度を検出する光センサを用いることもできるが、生育部１６内の所定位置における光強度を検出する光センサや生育部１６内の所定位置において所定角度で入射する光強度を検出する光センサを用いることもできる。例えば、生育部１６の上方から下方に向かって進行する光の光強度と、生育部１６の下方から上方に向かって進行する光の光強度と、生育部１６の横方向に沿って進行する光の光強度をそれぞれ独立して検出する光センサ、生物が植物である場合に、植物の葉の表側に入射する光の強度と植物の葉の裏側に入射する光の強度をそれぞれ独立して検出する光センサなどを用いることができる。

　また、実施形態に係るプラントシステム１０においては、光センサとして、光の強度のみならず、光の波長も検出可能な光センサを用いるもできる。また、光の波長（又は光の所定の波長領域）毎に光強度が検出可能な光センサを用いることもできる。

　実施形態に係るプラントシステム１０においては、光源部１８として、生育部１６内の全体的な光環境（光強度）を形作る光源部を用いることもできるが、生育部１６内の所定位置における光環境（光強度）を形作る光源部や生育部１６内の所定位置において所定角度毎の光環境（光強度）を形作る光源部を用いることもできる。例えば、生１６育部の上方から下方に向かって進行する光の光強度と、生育部１６の下方から上方に向かって進行する光の光強度と、生育部１６の横方向に沿って進行する光の光強度をそれぞれ独立して調整可能な光源部、生物が植物である場合に、植物の葉の表側に入射する光の強度と植物の葉の裏側に入射する光の強度をそれぞれ独立して調整可能な光源部などを用いることができる。

　また、実施形態に係るプラントシステム１０においては、光源部１８として、光の強度のみならず、光の波長も調整可能な光源部を用いることもできる。また、この場合、光の波長（又は光の所定の波長領域）毎に光強度が調整可能な光源部を用いることもできる。

　実施形態に係るプラントシステム１０において、生物センサ１７としては、生物が発する音を計測する生物センサ、生物を叩いたときの音を計測する生物センサ、生物の電気的特性（例えば、生物の表面抵抗、生物の内部抵抗、生物の静電容量、生物のインダクタンスなど）を計測する生物センサ、生物の色を計測する生物センサ、生物のｐＨを計測する生物センサ、生物が発する化学物質の種類又は量を計測する生物センサ、生物が発する臭いを計測する生物センサ、生物の重さを計測する生物センサ、生物の大きさを計測する生物センサ、生物の形状を計測する生物センサ、生物が植物である場合には、植物の葉の茂り具合を計測する生物センサ、生物の根の張り具合を計測する生物センサなどを例示することができる。なお、生物の電気的特性は、直流における電気的特性であってもよいし、交流における電気的特性であってもよいし、過渡的な電気的特性であってもよいし、それらのうち２つ以上であってもよい。また、交流における電気的特性の場合には、低周波数における電気的特性であってもよいし、高周波数における電気的特性であってもよいし、任意の周波数における電気的特性であってもよい。

　実施形態に係るプラントシステム１０においては、プラント制御部３２は、生物センサ１７の動作を制御する生物センサ制御部３５をさらに備え、集中制御部３９は、データベース３４及び光源制御部３６に加えて、生物センサ制御部３５の動作連携を制御するものであってもよい。この場合、生物センサ制御部３５は、例えば、生物の色を計測する場合においては、生物センサ１７が、生物のどの部分（例えば、茎の部分、葉の部分、実の部分、へたの部分など）の色を計測するかを制御したり、生物の色をどの方向から計測する（例えば、葉の場合、葉の表から計測する、葉の裏から計測する、全体を平均して計測するなど）かを制御したり、どのタイミングで（例えば、１日おきに、１時間おきに、１分おきになど）生物の色を計測するかを制御したりする。

　実施形態に係るプラントシステム１０において、生育条件には、例えば、生物が育成段階に応じて、どのような光環境の下で育成するのが好適なのか、どのような温湿度環境の下で育成するのが好適なのか、どのような水分供給量の下で育成するのが好適なのか、どのような養分供給量の下で育成するのが好適なのか、どのような組成の空気環境の下で育成するのが好適なのか、どのような風環境の下で育成するのが好適なのか、どのような音環境の下で育成するのが好適なのか、どのようなストレス環境の下で育成するのが好適なのかなど、生物の育成に影響のある条件のあらゆるものが含まれる。

　実施形態に係るプラントシステム１０においては、生物の物理的・化学的状態は、音、電気及び化学のいずれかに係るパラメータで表される情報を含む。

　音、電気及び化学のいずれかに係るパラメータとしては、生物が発する音、生物を叩いたときの音、生物の電気的特性（例えば、生物の表面抵抗、生物の内部抵抗、生物の静電容量、生物のインダクタンスなど）、生物の色、生物のｐＨ、生物が発する化学物質の種類及び量、生物が発する臭い、生物の重さ、生物の大きさ、生物の形状などを例示することができる。生物が植物である場合には、葉の茂り具合、根の張り具合などを例示することもできる。なお、生物の電気的特性は、直流における電気的特性であってもよいし、交流における電気的特性であってもよいし、過渡的な電気的特性であってもよいし、それらのうち２つ以上であってもよい。また、交流における電気的特性の場合には、低周波数における電気的特性であってもよいし、高周波数における電気的特性であってもよいし、任意の周波数における電気的特性であってもよい。

　実施形態に係るプラントシステム１０においては、光源は、ＬＥＤ又は有機ＥＬを含み、光源制御部３６は、ＬＥＤ又は有機ＥＬに流す電流を最小駆動電流～最大駆動電流の範囲内で段階的又は連続的に制御することによって、ＬＥＤ又は有機ＥＬの光強度を制御するものであってもよい。

　実施形態に係るプラントシステム１０においては、ＬＥＤ又は有機ＥＬは、１つのパッケージに赤色発光素子、緑色発光素子又は青色発光素子のうち少なくとも２つの発光素子をそれぞれ複数個使用した構成を有し、光源制御部は、赤色発光素子、緑色発光素子及び青色発光素子のうち少なくとも２つの発光素子について、各発光素子を独立して駆動制御するものであってもよい。

　実施形態に係るプラントシステム１０においては、光源制御部３６による制御は、各発光素子を一括して同時に駆動する一括駆動制御、又は、各発光素子を所定のグループ毎に分割駆動する分割駆動制御であってもよい。

　実施形態に係るプラントシステム１０においては、光源制御部３６による制御は、各発光素子を所定のグループ毎にパルス駆動するパルス分割駆動制御であってもよく、当該パルス分割駆動制御は、異なるグループ間で各発光素子の発光が時間的に重ならないように各発光素子を駆動するインターリーブ駆動であってもよい。

　実施形態に係るプラントシステム１０においては、光源制御部３６による制御は、各発光素子を点滅駆動して混合色を射出させる点滅制御であってもよいし、各発光素子を調光駆動して混合色を射出させる調光制御であってもよい。

　実施形態に係るプラントシステム１０においては、光源は、紫外線を発光する紫外線光源、遠赤色光を発光する遠赤色光源及び白色光を発光する白色光源のうちの少なくとも１つをさらに含むものであってもよい。

　実施形態に係るプラントシステム１０は、図１に示すように、プラント機構部１２は、生育部１６内の温度及び湿度を検知する温湿度センサ２６と、生育部１６内の温度及び湿度を調整する温湿度調整部２７とをさらに備え、プラント制御部３２は、温湿度調整部２７を制御する温湿度制御部４２をさらに備え、温湿度制御部４２は、温湿度センサ２６で検知した温度及び湿度と、生育条件に含まれる温度及び湿度とを比較して、生育部１６内の温度及び湿度が生育条件に適合した温度及び湿度となるように温湿度調整部２７を制御するものであってもよい。

　実施形態に係るプラントシステム１０は、図１に示すように、プラント機構部１２は、太陽光を反射して育成ハウス１４内に取り込む反射機能と太陽光を遮光する遮光機能とを有する太陽光調整板２２をさらに備え、プラント制御部３２は、太陽の移動に追従して又は太陽光を遮光するように、太陽光調整板２２の姿勢を変化させる姿勢制御又は太陽光調整板２２を移動させる移動制御を行う太陽光調整板制御部４１をさらに備え、太陽光調整板制御部４１は、光センサ２０で検知した光強度と、生育条件に含まれる光強度とを比較して、生育部１６内の光環境が生育条件に適合した光環境となるように太陽光調整板２２の姿勢制御又は移動制御を行うものであってもよい。

　実施形態に係るプラントシステム１０においては、プラント制御部３２は、太陽光による補光を制御する補光制御部４０をさらに備え、光源制御部３６は、光センサ２０が検出した光強度と、生育条件に含まれる光強度とを比較して、光センサ２０が検出した光強度が生育条件に含まれる光強度より低い場合には光源を駆動して不足分を補光し、補光制御部４０は、光センサ２０が検出した光強度と、生育条件に含まれる光強度とを比較して、光センサ２０が検出した光強度が生育条件に含まれる光強度より高い場合には太陽光調整板２２の姿勢制御又は移動制御を行って太陽光による補光を制限するものであってもよい。

　実施形態に係るプラントシステム１０においては、太陽光調整板２２には、生物に有害な波長の光をカットする光学フィルタ又は太陽光を生育部１６に導光する光ファイバが設けられていてもよい。

　実施形態に係るプラントシステム１０は、図１に示すように、プラント機構部１２は、生物に供給する養液を貯蔵した養液槽を有する養液供給部２８をさらに備え、プラント制御部３２は、養液を生物に供給する養液供給制御部４４をさらに備え、養液供給制御部４４は、生物センサ１７で検出した生物の物理的・化学的状態と、生育条件に含まれる生物の物理的・化学的状態とを比較し、養液の組成、供給量及び温度のうち少なくとも１つが生育条件に適合した養液の組成、供給量及び温度のうち少なくとも１つとなるように養液供給部２８の動作を制御するものであってもよい。

　実施形態に係るプラントシステム１０は、養液供給部２８は、魚類の養殖を行う水槽をさらに備え、養液供給部２８は、魚類の排泄物を含む養液を生育部に供給するものであってもよい。

　実施形態に係るプラントシステム１０においては、生物は植物を含み、育成ハウス１４は植物栽培ハウスを含み、データベース３４は、生育条件として、植物の概日リズムによる生育条件を記憶するとともに、生物の成長速度を制御するための、光強度ストレスデータ、温度ストレスデータ又は乾燥ストレスデータを含む環境ストレスデータを記憶するものであってもよい。

　実施形態に係るプラントシステム１０は、図１に示すように、プラント機構部１２は、生育部１６で育成する生物の監視装置３０をさらに備え、プラント制御部３２は、通信部４６と、インターネットを介してパーソナルコンピュータ又は携帯用端末から生育条件の変更又は修正を行う機能、及び、監視装置による監視情報又は外部から提供される気象情報に基づいて生育条件の変更又は修正を行う機能を備えた生育条件制御部４５とを備えるものであってもよい。

　実施形態に係るプラントシステム１０においては、図１に示すように、プラント制御部３２は、電力源２４の動作を制御する電力源制御部３７をさらに備え、集中制御部３９は、データベース３４及び光源制御部３６に加えて電力源制御部３７の動作連携を制御するものであってもよい。

　実施形態に係るプラントシステム１０においては、電力源２４は、再生可能エネルギーを利用した電力を用いた電力源であってもよく、再生可能エネルギーは、太陽光、風力、水力、地熱、太陽熱、自然界に存在する熱、廃棄物処理エネルギー又はバイオマスをエネルギー源とするものであってもよい。この場合、実施形態に係るプラントシステム１０においては、電力源２４は、電力源として、再生可能エネルギーのみを利用した電力を用いた電力源であってもよいが、通常の電力源からの電力と、再生可能エネルギーを利用した電力を併用した電力源であってもよい。

　実施形態に係るプラントシステム１０においては、後述する図９及び図１０に示すように、電力源２４は、第１コンバータ２００と、電力を蓄えるバッテリ３１０と、第２コンバータ３００とを備え、第１コンバータ２００は、再生可能エネルギー２１０から産生された電力を負荷に対応した電力に変換する機能を有する単方向スイッチング型のスイッチングデバイスからなり、第２コンバータ３００は、第１コンバータ２００が変換した電力をバッテリ３１０に対応した電力に変換する機能及びバッテリ３１０に蓄えた電力を負荷に対応した電力に変換する機能を有する双方向スイッチング型のスイッチングデバイスからなるものであってもよい。

　この場合、第１コンバータ２００及び第２コンバータ３００のいずれか一方又は両方は、窒化ガリウム製半導体素子、炭化ケイ素製半導体素子及び酸化ガリウム製半導体素子のうち少なくとも１つを含むスイッチングデバイスからなるものであってもよい。

　実施形態に係るプラントシステム１０においては、プラント機構部１２は、太陽光から電力及び熱を産生可能な太陽光パネルをさらに備え、当該太陽光パネルが産生した熱を「育成ハウス１４」、「生物に供給する養液を貯蔵した養液槽」及び「生物に供給する水を貯蔵した水槽」のうち少なくとも１つに供給するものであってもよい。

［実施例］
　以下、本実施形態のうち一実施例について詳細に説明する。なお、以下の実施例においては説明の都合上、上述した実施形態の場合と同様又は類似する記載内容を含むことがあり、この場合には、上述した実施形態の場合と同様の符号を用いることがある。

　実施例に係るプラントシステム１０においては、生育部１６には、例えば植物の栽培棚等が配設され、また、栽培する植物の根に栄養を供給する養液供給部２８が配設されている。

　光源部１８は、人工光源からなり、白熱電球、放電管（蛍光ランプ、メタルハライドランプ、高圧ナトリウムランプ等）、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｇ　Ｄｉｏｄｅ）、有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）などが使用可能である。このうち、ＬＥＤ光源や有機ＥＬ光源を用いた場合は、白熱電球や放電管を用いた場合よりも、電力消費が小さく、かつ、光源部の発熱を抑制できる点で有利である。なお、プラントシステム１０は、生物に照射する光として、光源部１８からの光に加えて光源部１８以外の光（例えばプラントシステム１０の外部からの太陽光）も使用可能な構造となっている。

　人工光源は一種類に限らず、例えば、放電管とＬＥＤ、ＬＥＤと有機ＥＬといった組み合わせでもよい。光の照射対象に対して、最適な光を得るために、１つ、又は、２以上の光源を組み合わせた光源とすることができる。光源部１８には、更に、紫外線光源と遠赤外線光源を備えてもよい。各種人工光源の特長を生かして最適な組み合わせを行い、これにより多種多様な生物に対応する。

　例えばＬＥＤについて説明すると、ＬＥＤは、ＩｎＧａＮ（インジウム・ガリウム・ナイトライド）、ＧａＰ（ガリウム・リン）、ＧａＡｓＰ（ガリウム・ヒ素・リン）などの化合物半導体のｐｎ接合に順方向電流を流すことにより接合近傍でおこる電子、正孔の再結合により発光する。メリットは、低電圧駆動、低発熱、コンパクト、軽量、ノイズレス、調光やパルス点灯の容易さなどがある。また、光の色（波長）や強度の調整も容易である。有機ＥＬも同様の長所を有している。

　ＬＥＤを光源部１８として使用する場合、植物の成長に重要な光の波長は、赤（６４０～６８０ｎｍ）と青（４５０～４８０ｎｍ）の領域であり、赤色光ＬＥＤと青色ＬＥＤとを使用する。さらに、波長が７２０～７４０ｎｍの遠赤色ＬＥＤ及び白色ＬＥＤを使用して、植物に適合した光を単独で、又は、赤色光ＬＥＤ及び青色ＬＥＤと組み合わせて使用してもよい。

　遠赤色光は、赤色光と同時に照射して、自然光の比率より高くしたり低くしたりすることで、植物の伸長を制御できる。白色光は、ＲＥＤ、ＧＲＥＥＮ、及び、ＢＬＵＥの基本的な色の光を含めて広範囲の波長の光を含んでおり、各基本色光を独立に制御できないが、１つの光源で全ての基本光に対応可能である。このため対象となる植物は限られるものの、光源のコストを低く抑えることができる。

　実施例に係るプラントシステム１０においては、生育部１６内の光環境が生育条件に適合した光環境となるように光源部１８の動作を光源制御部３６が制御する。この制御では、生育条件を基に植物種等に対して最適な光照射条件が決定される。以下、上記光照射条件の決定について、光と生物（特に植物）の関係を説明する。

　生命（生命現象）は、昼夜の変動に同調した周期とするリズム、すなわち概日リズム（サーカディアンリズム）を持つことが知られており、特に植物においてこれが顕著である。この概日リズムをもたらすのは、生物体内に存在する２４時間周期の体内時計（概日時計）であり、その中心は、転写の負のフィードバックループ（転写因子が自己の遺伝子発現を抑制する）を用いた振動機構からなると考えられている。

　例えば、シロイヌナズナの振動機構の中心振動体においては、二つの転写因子ＣＣＡ１（ＣＩＲＣＡＤＩＡＮ　ＣＬＯＣＫ－ＡＳＳＯＣＩＡＴＥＤ　１）及びＬＨＹ（ＬＡＴＥ　ＥＬＯＮＧＡＴＥＤ　ＨＹＰＯＣＯＴＹＬ）とレスポンスレギュレーター様因子ＴＯＣ１（ＴＩＭＩＮＧ　ＯＦ　ＣＡＢ　ＥＸＰＲＥＳＳＩＯＮ　１）が、コアとなる構成要素であると考えられており、これらの遺伝子の欠損突然変異体では勿論、過剰発現形質転換体でも周期性が乱される。一方、体内時計は光によってリセット及び速度調整される。そして、その光受容体はファイトクロムとクリプトクロムであることも知られている。

　植物において、概日時計への代表的な入力刺激である光、即ち日の長さ（日長）と温度がそれぞれ植物組織の体内時計によって処理されている。機能分担は、維管束（篩部）の体内時計は日長情報を処理し花芽形成（花成）を制御する一方で、表皮の体内時計は温度情報を処理し細胞伸長を制御していることが明らかとなってきた。このことは、植物の体内時計は各組織の体内時計が半ば自律的に制御を行う非集中型のネットワーク構造をとっていることを示している。

　光はエネルギーを持ち、大別して環境情報、生物的エネルギー源及び光損傷の３つの作用を持っている。概日リズムが２４時間明暗周期に同調するのは、光を情報として利用しているためであり、植物の場合はフィトクロム（ｐｈｙｔｏｃｈｒｏｍｅ）が、環境情報を得る為の主な光受容体（色素）である。生物的エネルギー源は、光合成に利用される。クロロフィルは、光合成電子伝達系の成分であり、励起クロロフィルの電子は、光合成電子伝達系の次の成分に引き渡されるが、クロロフィルが、電子伝達系の能力を上まわる光エネルギーを吸収すると電子は行き場がなくなり、細胞成分を損傷させる。これが光損傷である。また、光増感剤と呼ばれる分子に吸収された光は、酸素ラジカルを生成することによって細胞成分を損傷させる。

　光損傷に対する防衛と、細胞分裂を夜に限定することに概日リズムの起源があると言われており、多くの植物は概日リズムに従って植物工場の環境を整えることが望ましいと考えられる。もちろん、特定の種類の植物においては、概日リズムに従わない形の光制御も可能である。これには、例えば国際公開２０１３／０２１６７５号に示されているように、赤色光照明光を植物に照射するステップと、青色光照明光を植物に照射するステップとを、一定期間内に別個独立に行うＳＨＩＧＹＯ（登録商標）法と呼ばれる方法がある。

　一方、特定の短い周期に一定のデューティ比で照射するパルス光により、植物が栽培できることが知られている。パルス化した時の光損傷を防止する最適光量を保ち、植物に有効な波長帯の光を用いることで植物の効率的な栽培が可能である。

　自然界においては、植物は基本的に連続光の下で光合成が行われているが、光合成の反応経路は明反応（光化学反応）と暗反応（炭酸還元回路）があり、炭水化物を生成する暗反応には光を必要としないことが明らかとなっている。このため、光合成において光を必要としない暗反応時には光を当てず、光を必要とする明反応時に光を当てる間欠照射を行えば単位光量当たりの光合成速度を増大させることができる。

　光合成は、光と二酸化炭素と水からデンプンを生成するまでに複雑な反応経路をたどり、この反応経路を通るには時間を必要としている。このため、この反応経路を通っている時間は、次の光合成の光を当てる必要が無く、タイミングよく光を当てることで光合成を効果的に行える。

　光合成の過程は明反応と暗反応に分けられ、明反応は光化学反応である。この光化学反応には、緑色植物においてはクロロフィルａの７００ｎｍ吸収形（系Ｉ）と、クロロフィルｂ、カチノイド及びクロロフィルａの６８０ｎｍ吸収形（系ＩＩ）が光受容体となり、両系列が直列に配列して光合成が営まれる。

　６９０ｎｍより長波長側の光を単独で当てると光合成速度が急速に低下する。これは「Ｒｅｄ　Ｄｒｏｐ現象」と呼ばれている。６９０ｎｍより長波長側の光と７００ｎｍより長波長側の光を同時に当てると、Ｒｅｄ　Ｄｒｏｐ現象は見られなくなる。６９０ｎｍより長波長側の光（遠赤色光）には光合成を促進する効果がないことを示している。さらに、６９０ｎｍより短波長側の光である赤色光（波長６５０ｎｍ）と青色光（波長４５０ｎｍ）を同時に当てた方が光合成の促進効果があることがわかり、エマーソン増強効果と呼ばれている。従って、６９０ｎｍより短波長側の光である赤色光（波長６５０ｎｍ）単独でもよいが、６９０ｎｍよりさらに短波長側の光である青色光を含むことがより望ましいとされている。

　フィトクロムは、花芽形成や発芽の制御、さらに、芽生えから葉を開いて光合成を始める脱黄化現象を促進するなどの機能がある。フィトクロムには、赤色光で活性化され遠赤色光で不活性化される性質があり、赤／遠赤色光可逆性が見られる。一方、植物が光を感じる現象で、青い光しか効果がないものがあり、その代表が光屈性ある。ここでは、フィトクロムとは全く別の青色光受容体フォトトロピンが光を感じている。この他に、クリプトクロムと呼ばれる青色光受容体も知られており、植物はこれらの光受容体を使い分け、自分が置かれた光環境を敏感に感じ取り、その情報を成長に役立てている。

　遠赤色光はフィトクロムを不活性化させるが、植物の対抗策は、茎を伸ばしたり花を早くつけたりするなどの反応である。これは植物の避陰反応と呼ばれている。波長６６０ｎｍを中心とする赤色光Ｒと波長７３０ｎｍを中心とする遠赤色光ＦＲの比率Ｒ／ＦＲが、自然光での比率１．１～１．２より高いと植物の伸長速度は抑制され、低いと促進される。植物の避陰反応は、夜の始まりを感知し体内時計リセットする等、概日リズムにも寄与している。また、遠赤色光がフィトクロムを不活性化させることで、光損傷を防止する役割も果たしている。

　以上、光に関する生育条件を例にとって生育条件を説明したが、このような生育条件を基に各植物に対して最適な光照射条件が決定される。

　光センサ２０は、生育部１６で栽培されている植物に照射する光の強度を測定する。育成ハウス１４の温湿度環境は、温湿度センサ２６で検知した温湿度を、温湿度調整部２７で温度の調整と湿度の調整を行うことにより行う。監視装置３０は監視カメラであり、栽培している植物の生育状態を監視する。光センサ２０は、光の強度のみならず、光の波長も測定可能であると好適であり、また、光の波長（又は光の所定の波長領域）毎に光強度が測定可能であるとより一層好適である。

　太陽光調整板２２は、太陽光を反射させて生育部１６へ照射する。太陽光調整板２２には姿勢（角度）制御機構及び移動制御機構（ともに図示せず。）が設けられており、太陽の移動に追従して姿勢（角度）又は位置を変え、最も効率よく太陽光を反射するようにしている。逆に、太陽光の光強度が強過ぎる場合には、太陽光をそらすように姿勢（角度）又は位置を調整する。太陽光が照射されている時に、概日リズムで照射条件を弱くすべき場合には、太陽光調整板２２の角度制御機構又は移動制御機構により太陽光が植物育成ハウス１４に照射されないような姿勢（角度）又は位置にするとともに、育成ハウス１４に光が入らないような手段を講じることができる。例えば、「太陽光調整板２２自体を移動する」、「育成ハウス１４を光が透過しないカバーで囲う」等である。

　太陽光調整板２２には、植物に有害な波長の光をカットする光学フィルタを取り付けてもよい。さらに、光ファイバを利用して太陽光を生育部１６に照射してもよい。太陽光は広い波長域を持つ電磁波であるが、植物に有効な光は、主に、赤色と青色であることが明らかになっている。即ち、波長が６００～６６０ｎｍと、波長が４００～５００ｎｍの光が有効となっている。波長が７００ｎｍ以上の光であっても、波長７３０ｎｍを中心とする遠赤色光は、避陰反応との関係で必要な光である。波長５００～６００ｎｍの緑から黄色にかけての光は、人間の目には最も明るく爽やかな光であるが、光合成や形態形成効率の下がる領域である。

　紫外光は基本的に植物にとっては有害とされており、特に波長が２８０ｎｍ以下の紫外線は植物を枯らす作用がある。しかしながら、紫外線でも長波長側の近紫外線は植物の形態を正常にする作用があることが知られており、茎の徒長を抑制したり、花芽の形成を促進したりすることができる。このため、紫外線を有効に利用することが、植物の栽培に効果がある場合もある。また、植物を栽培（育成）する過程で、育成ハウスや生育部の内部で苔、カビ、菌などが発生・繁殖したり培地が腐敗したりして植物の育成を阻害してしまう場合がある。そこで、植物を育成する前（例えば種子を入れる前）や植物を育成した後（例えば植物の収穫後）に紫外線を照射して殺菌・滅菌することで、植物の育成を阻害する苔、カビ、菌などが発生・繁殖したり培地が腐敗したりしてしまうことを防いだり、そのような状態を解消・改善したりすることができる。

　光学フィルタは、波長３００～５００ｎｍ、波長６００～７５０ｎｍの光を通して、他の波長（５００～６００ｎｍ）の光をカットしているが、紫外線を照射する時は光学フィルタを外すことができる。

　太陽光の導光は、光ファイバからなる光伝送ラインを使用してもよい。太陽光調整板２２からの光は光伝送ラインの入射端部から、光伝送ラインを介して生育部１６にある植物に照射する。光伝送ラインは複数の光ファイバを纏めたファイバ束であり、太陽光調整板２２から集光して高エネルギーの入射光とし、ファイバ束を分岐させた各光ファイバに分散させることにより、太陽光の光エネルギーを弱め、照明に適した光量に調節することもできる。

　電力源２４は、通常の商用電力の他、再生可能エネルギーを利用した電力を用いてもよい。再生可能エネルギーは、太陽光、風力、水力、地熱、太陽熱、自然界に存する熱、廃棄物処理エネルギー、バイオマス等をエネルギー源とするものである。太陽電池、小型風力発電や小型水力発電等の設置型電力源の他、廃棄物処理エネルギーが利用可能な環境、例えばごみ処理施設の近くであれば、廃棄物エネルギーを電力源とすることができる。廃棄物処理場内にプラントシステムを設置してもよい。

　太陽光発電パネル等により発電された再生可能エネルギーは、直流電力を交流電力に変換し、商用系統に連系して逆潮流を行う交流電源装置を併用することもできる。

　再生可能エネルギーは、常時電力供給が可能であるわけではなく、蓄電バッテリとの併用で使用する。蓄電バッテリには、アルカリ二次電池としてのニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池がある。最近では高密度のリチウムイオン電池が急速に普及しており、植物プラント用の蓄電バッテリとして使用できる。

　生育部１６に設けられた生物センサ１７は、物理的・化学的状態（音、電気、化学のいずれかに係るパラメータ情報）を電気信号に変えて検出する。例えば、植物に音、光、温湿度や二酸化炭素濃度等の環境刺激を与え、植物細胞膜の内部イオンの濃度差により発生する微小電位を電極で検出する。この微小電位の変化により植物の成長度を示すデータが取得できる。

　また、植物の根と土壌との電気抵抗を測定して、根の張り具合を知ることもできる。植物の根元と土壌に電極を設けて生物センサ１７を構成し、電圧を加えて、その時に流れる電流によって、根の張り具合が検出できる。

　植物組織の電気インピーダンスから、植物、特に野菜や果物などの熟度、鮮度や腐敗などの程度を知ることができる。植物組織は、細胞膜とそれに密着している細胞壁によって、細胞の内外を隔絶している。細胞膜は、電気的には絶縁性であり、電気容量を持っている。このため、これらの細胞の集合体としての電気インピーダンスが測定できる。

　植物の組織が腐敗すると、細胞膜や細胞壁が壊れ、細胞内液と外液が混ざって組織構造が失われるため、電気容量の値が小さくなり、抵抗値も変化する。このため、電気インピーダンスの測定データから、細胞組織の状態が把握できる。植物に接触させる電極を生物センサ１７として、交流電流を流し、電圧を測定して植物組織の電気インピーダンスを求め、電気インピーダンスの周波数特性を実数部と虚数部をプロットしてコールコールプロットを作成する。

　植物組織の生理的状態が変われば、コールコールプロットの様子も変わり、例えば活性が低下すれば、容量が下がってコールコールプロットの円弧が平坦化する。植物組織が乾燥してくれば、円弧は平坦化するとともに抵抗が高くなり、実数軸の高い方へシフトする。また、熟度に関しては、酸っぱいものから甘いものになり、糖分が増えて電気伝導度が低下するので実数軸の小さい方へコールコールプロットの円弧がシフトする。このように、生物センサ１７を使用してコールコールプロットが得られるため、このデータから植物の状態を把握できる。

　植物においては、根から吸収された水分や養分は、根や茎の導管を通って、葉、花や果実に運ばれ、一方、葉でつくった養分は糖に変えられ師管で下方に運ばれる。導管と師管は維管束組織として植物全体を貫いている。植物が生理的に不活性な状態（環境ストレス）になると、例えば根からの水分の供給が妨げられ、茎や葉では負圧が発生して水ストレスが増加する。この状態が続くとついには茎や葉に微小な気泡が入り込み、発泡する。即ち、キャビテーション現象であるが、このキャビテーション発生時に発する音を検出することにより、植物の状態を把握できる。具体的には、生物センサ１７は弾性波受信素子であり、茎や葉に接触させて、キャビテーション発生時に発する音波を、電気信号に変えてデータを取得する。

　生物センサ１７での化学的なデータの取得は、例えばｐＨである。土壌や養液栽培における養液のｐＨは、植物の成長に大きく影響する。例えば通常の培養液のｐＨは、６．０～６．２程度であるが、植物が養分、例えば硝酸態窒素、硝酸塩やリンを吸収してアルカリ化してくる。これは、硝酸態窒素、硝酸塩などのマイナスイオンと石灰などのプラスイオンの吸収差異が関係し、マイナスイオンが吸収されたことによりマイナスイオンが少なくなりプラスイオンが支配的となりアルカリ化するものである。このため、生物センサ１７としてｐＨセンサでｐＨを検出れば、養分を適切に与えることができる。ｐＨセンサからのｐＨ値は電気信号としてデータを取得できる。

　養液供給部２８は、栽培している植物に水と肥料を与える装置である。例えば、水貯蔵部と養液貯蔵部を備えている。水貯蔵部と養液貯蔵部は、生育部１６の植物栽培ケースへ配管によって結合され、バルブ等により供給のオンオフや供給量がコントロールされている。水は、不純物を除く処理が行われた水道水、井戸水、雨水あるいは純水等のいずれでもあってもよい。水は養液貯蔵部に送られ、肥料を溶かして養液となり貯蔵される。

　養液栽培の場合に、その方式は、培地を使わずに培養液の中や表面で根が育つ「水耕」と、土の替わりとなる様々な培地に作物を定植する「固形培地耕」、根に培養液を霧状に噴霧する「噴霧耕」がある。これらの栽培方式のいずれであってもよい。

　水耕栽培と水産養殖を同時に行うアクアポニックスシステムとして使用する場合は、魚を飼育する水槽が養液供給部２８となる。ここでは、魚と微生物が主要な構成要件となる。微生物は、栄養素を循環させる中で最も重要な作業を行い、アクアポニックスでは、土を全く使用することなく植物栽培が可能である。土に代わる媒材として、ハイドロトン（水耕栽培に使用する培地）、軽石、溶岩、小石などがある。また、植物は魚の水槽から送られてくる栄養豊富で豊かな水により育つことができる。

　魚は、排泄物とアンモニア（ＮＨ_３）を生成するが、排泄物とアンモニアの量が上昇するということは、水槽の中にいる魚にとって有害であり、水質を低下させることになる。アクアポニックスでは、魚の水槽からの水が植物の生育部１６へ肥料を運ぶが、自然発生した何十億個もの有益なミクロのバクテリアが存在する。このバクテリアは、始めにアンモニアを亜硝酸塩（ＮＯ_２）へと分解し、それから亜硝酸塩を硝酸塩（ＮＯ_３）へと分解する働きがある。

　硝酸塩や他の栄養素は、植物によって吸収され、植物自身の成長を助ける。これが水槽の水をきれいに保つことになり、固形廃棄物もまた、植物の生育部１６へ送られる水により濾過される。固形廃棄物を取り除くための機械を設けて取り除いてもよい。濾過された水は、水質を向上させ、魚が必要とする酸素水を供給するため、水槽へと戻される。

　生物センサ１７は、この養液供給部のｐＨを測定することもできる。養液を循環により使用する場合は、硝酸態窒素、硝酸塩やリンの減少によりｐＨがアルカリ側にシフトしていくが、この場合は新たに硝酸態窒素、硝酸塩やリンを補給する。これにより常に適切なｐＨが保たれる。

　監視装置３０は、植物の生育状況を監視する監視カメラである。監視カメラからの情報は、単に植物の生育状況の観察だけでなく、植物の画像から、発芽後の葉、茎、花、実、及び根の状態を記憶し生育状況を判定する手段とすることができる。例えば、葉の画像からは、葉の枚数、葉の大きさ、葉の角度と縦横比から成長度が判定できる。茎の画像からは茎の長さと太さが、根の画像からは根の長さと広がり具合が判定できる。花や実の画像からは、数と密度や成熟度が判定できる。

　監視装置３０は目視による観察を有効に機能させるが、生物センサ１７からの情報と監視装置３０による画像の組み合わせで、画像処理を行ったり、画像診断による生育状況や異常状態を可視化したりすることもできる。更に、様々なアプリケーションが可能である。

　プラント制御部３２には、植物の生育条件に適した概日リズムデータ、環境ストレス条件データや養液管理データを記憶し、光センサ２０、温湿度センサ２６と生物センサ１７からのデータ情報を格納するデータベース３４がある。育成ハウス１４に設けられた光センサ２０からの光強度情報と生育条件に適した概日リズムデータによるあらかじめ設定した光源制御情報から最適な光強度に制御する光源制御部３６、生物センサ１７の動作を制御する生物センサ制御部３５、太陽光調整板２２や電力源の制御を行う電力源制御部３７は、連係して動作を行うように集中制御部３９で制御される。

　プラント制御部３２には、さらに、光源の省エネルギー化を図る多重分割駆動制御部３８、太陽光調整板２２の角度を制御する補光制御部４０がある。育成ハウス１４の温湿度は、育成ハウス１４に備えられた温湿度センサ２６からの情報に基づいて、温湿度調整部２７に温湿度制御信号を送信する温湿度制御部４２により制御される。

　生育部１６に備えられた養液供給部２８は、養液供給制御部４４により制御され、植物に最適な養液が供給される。生育条件制御部４５は、温湿度や日照等の外部環境の事前情報により自動的に生育条件の変更及び修正を行う。通信部４６は、インターネットを介してプラントシステム１０の各種情報の発信及び外部からの情報を受信する。

　光源部１８に使用される人工光源は光源制御部３６によって制御されるが、使用する人工光源に対応した制御部が備えられている。ＬＥＤに対してはＬＥＤ制御部、有機ＥＬに対しては有機ＥＬ制御部、放電管に対しては放電管制御部である。紫外線光源を設けた場合は紫外線光源制御部を設ける。様々な人工光源に対応する制御部を設けるとコスト高となるため、使用した人工光源に対応する制御部のみにして、システムの構成を簡素化し、コスト低減を図っている。

　光源部１８がＬＥＤ又は有機ＥＬである場合は、光の強度を制御するのは電流量である。光源制御部３６により、電流量を０（オフ状態）又は最少駆動電流～最大駆動電流まで任意に設定することで、光強度を制御できる。

　また、光源制御部３６によれば点滅制御や調光制御が可能となる。光源部１８を、例えば、ＲＥＤ（赤色光）、ＧＲＥＥＮ（緑色光）、及び、ＢＬＵＥ（青色光）の基本となる３原色光を発光するいずれか１以上の人工光源を含むよう構成し、電流量が０のオフ状態と電流量が最大となるオン状態を制御する点滅制御を行う。ＲＥＤ、ＧＲＥＥＮ、及び、ＢＬＵＥの３色の光を発光する３種類の人工光源を使用した場合は、各色発光の光強度をそれぞれ独立に制御して、複数の混合色を発光させることができる。これにより、多様な植物に対して、その植物に適合した多様な光を照射することができる。

　光源部１８に紫外線光源を用いた場合も同様に、光源制御部３６で点滅制御と調光制御を行い、多様な植物に対して、その植物に適合した多様な紫外線を照射することで、効果的な紫外線利用を行う。ＬＥＤや有機ＥＬでは紫外線の発生はごくわずかであり、紫外線を好む害虫には防虫効果があるが、植物にとっては紫外線を適切に使用することが生育に効果があり、効率良く生物を生育させるためである。紫外線は、ＲＥＤ、ＧＲＥＥＮ、及び、ＢＬＵＥの光と同時に照射してもよい。

　光源部１８は、遠赤色光を発光する遠赤色光源、又は、白色光を発光する白色光源を含んでいる場合も光源制御部３６で制御する。遠赤色光は、赤色光と同時に照射して、自然光の比率より高くしたり低くしたりすることで、植物の伸長を制御できる。白色光は、ＲＥＤ、ＧＲＥＥＮ、及び、ＢＬＵＥの基本的な色の光を含めて広範囲の波長の光を含んでおり、各基本色光を独立に制御できないが、１つの光源で全ての基本光に対応可能である。このため対象となる植物は限られるものの、光源部１８のコストを低く抑えることができる。

　データベース３４に記憶される概日リズムの条件は、栽培する植物に最も適した最適条件であり、概ね２４時間周期での条件である。

　図２は、概日リズムを説明するために示す概念図である。時間に対する植物活性の強さを表しており、体内時計の存在に依存している。植物は、開花だけでなく、気孔の開閉や葉茎の伸長、光合成の活性といった現象も体内時計の制御を受けている。植物は、太陽が出ている時間帯に合わせて光合成を活発に行えば、効率的に成長ができるので、日の出前からその準備をしている。また、夜間の冷え込みに備えて、自ら低温ストレス耐性を高める植物もある。

　さらに、植物の体内時計は一日の時間の流れだけでなく、季節の認識も関与し、春や秋に咲く花のなかには、日照時間の変化を感知しているものがある。外部から受ける光刺激の時間的な変化を認識するためには、植物自身が物差しとしての時計を持っていなければならず、植物は体内時計が刻む概日リズムと、外部環境の変化とを照らし合わせることで、季節の変化を感知し成長している。

　データベース３４に記憶されるデータは、概日リズムの条件に加えて、環境ストレス条件を記憶させることができる。環境ストレスは、概日リズムを逆手にとって、植物の成長を促進したり遅らせたりすることができる。例えば、花の開花時期を例にとると、顧客への配達日に合わせて開花日を調整したり、複数の植物栽培プラントで、各植物栽培プラントでの花の開花をずらして、出荷の期間を長くしたりすることができる。

　植物にとって環境ストレスになりうる要因は、高温、低温、強光、暗黒、乾燥、降雨、塩などさまざまである。植物は移動ができず、環境の変化が植物内の状態に直接影響を及ぼす場合が多く、例えば厳寒期では植物の細胞自体の温度も環境の温度にさらされる。植物はそのような条件の中で、ストレスによる阻害を最小限に押さえ、生存に必要な化学反応を進行させ続けるために、自らの代謝反応などをその状況にあったものに作りかえる。即ち、植物は環境に応じて体の状態を積極的に変化さることによって生命を維持しており、そのような変化こそが、植物のストレス応答の本質である。この植物の性質を利用することで、植物の成長を促進したり遅らせたりすることができる。

　例えば、必要以上に強い光が照射されたとき（強光ストレスを受けたとき）は、過剰な光エネルギーを熱エネルギーに変えて発散する非光化学消光システムや、過剰なエネルギーによって生成した活性酸素を消去する活性酸素消去系などが知られている。

　温度ストレスは、高温ストレスと低温ストレスがある。高温ストレスは、タンパク質の変性や複合体の解離などによる機能喪失が生育阻害の直接的な原因となると考えられている。低温ストレスには、Ｃｈｉｌｌｉｎｇ（０～１０℃程度）とＦｒｅｅｚｉｎｇ（凍結）がある。凍結では、氷の結晶が細胞の内外でできるときに細胞は水を失う。乾燥でも水を失う。これらのストレスは、植物にとってもどれも浸透圧のバランスがくずれるという同じストレスとなる。

　さらに、Ｃｈｉｌｌｉｎｇでは、低温で光合成の系をこわし、過剰な光は活性酸素を生み、植物の組織を壊すようになる。同じ低温でも暗所より弱光のときに植物には大きなストレスを受ける。

　光源制御部３６は、概日リズムによる光照射条件を基に、光センサ２０で測定された光強度と比較して、生育部１６にある生物への光の強弱を制御する。光源制御部３６での光制御は、補光制御部４０への制御信号と、光源部１８への制御信号として出力される。補光制御部４０では、光源制御部３６からの制御信号により太陽光調整板２２の角度を変えるために設けられているモータの動作を制御する。光源部１８は光源制御部３６からの制御信号により光の照射強度を制御する。例えばＬＥＤ光源の場合は、ＬＥＤに流れる電流値を多くしたり少なくしたりして、光の強さを制御する。

　図３は、１日（２４時間）における太陽光の光強度の変化を説明するために示す図である。「太陽光（晴天）」５４で示す線は晴れた日における光強度の変化を表す線であり。「太陽光（雨天）」５６で示す線は雨の日における光強度の変化を表す線である。

　晴れた日中の光強度が強くなり、概日データの光強度を超える場合もある。この場合は、強光ストレスとなるため、光強度を植物が受光できる最大値（Ｍａｘ）以下としなければならない。この時は、光源制御部３６は、太陽光調整板制御部４１に制御信号を送り、補光制御部４０が太陽光調整板２２の太陽に対する角度を変えるモータを駆動して、光強度が最大値（Ｍａｘ）以下になるようにする。

　一方、雨の日は光強度が弱く、太陽光（雨天）５６のようなデータが得られる。この場合は、光源制御部３６から光源部１８へ制御信号を送り、光源部１８を駆動し光を照射させる。光源部１８からの光は、図３で示した斜線領域の光を補光するものであり、微小光から最大強度の光まで、広い範囲の光強度において高精度の（例えば段階的又は連続的かつ高精度の）調光（例えばリニアな調光）が要求される。このためには、ＬＥＤ光源や有機ＥＬ光源が適している。

　人工光源としては、消費エネルギーや調光の容易性から、ＬＥＤを用いたＬＥＤ光源、又は、有機ＥＬ光源が好適である。ＬＥＤ光源や有機ＥＬ光源は、応答速度が速い特長がある。周波数的には数ＭＨｚまでの応答が可能である。植物の光合成においては、光を必要としない暗反応時には光を当てず、光を必要とする明反応時に光を当てる間欠照射を行えば単位光量当たりの光合成速度を増大させると好適である。このため、例えば、複数のＬＥＤ光源をパルス駆動して間欠照射を行うときに、さらに時分割して各ＬＥＤ光源の駆動時間をずらすことにより、省エネルギー化を図ることができる。以下この光源駆動方法を、多重分割駆動という。多重分割駆動制御部３８は、複数の光源の多重分割駆動を行う制御部である。

　図４は、複数のＬＥＤ光源の多重分割駆動を説明するために示す図である。図４（Ａ）は、ＬＥＤ光源６０を示す図である。ＬＥＤ光源６０として、ＬＥＤ素子６８が多数配列されたＬＥＤアレイＡ６２、ＬＥＤアレイＢ６４及びＬＥＤアレイＣ６６の３つのＬＥＤアレイがある場合を考える。例えば、ＬＥＤアレイＡ６２が赤色ＬＥＤからなるＬＥＤアレイであり、ＬＥＤアレイＢ６４が青色ＬＥＤからなるＬＥＤアレイであり、ＬＥＤアレイＣ６６が遠赤色ＬＥＤからなるＬＥＤアレイである。また、偏りを防止するため、３色のＬＥＤチップが１つのパッケージに搭載されたＬＥＤアレイを複数個並べても良い。

　図４（Ｂ）は、ＬＥＤ光源の多重分割駆動７０における駆動波形を示す図である。３つのＬＥＤアレイを多重分割駆動しており、横軸は時間ｔを、縦軸は駆動電流ｉを示している。パルス駆動の周期は、パルス駆動周期Ｔとしている。駆動電流ｉは、各ＬＥＤアレイを独立に制御し、調光することができる。３つのＬＥＤアレイを同時駆動すると、パルス駆動であっても１つのＬＥＤアレイに流す電流の３倍の駆動電流ｉを流さなければならず、電流容量を大きくしなければならない。駆動するパルス波形は、例えばデューティが１０～３０％程度である。このため、パルス駆動周期Ｔの間に、駆動電流ｉを流さない時間がある。この時間を利用して他のＬＥＤアレイを駆動することで、電流容量を少なくすることができる。

　図４（Ｂ）では、ＬＥＤアレイＡ６２を駆動した後にＬＥＤアレイＢ６４を駆動し、さらにその後ＬＥＤアレイＣ６６を駆動している。これにより、３つのＬＥＤアレイがあってもＬＥＤアレイの駆動電流は、１つのＬＥＤアレイの駆動電流と同等の電流量にすることができ、電流容量も少なくてよく、大幅にエネルギーを少なくすることができる。

　一方、ＬＥＤによるパルス駆動は、光合成を約２０％から３０％程度促進する効果があることが知られており、エネルギー消費の視点からは、ＬＥＤ光源の駆動電流を減少させて光強度を７０～８０％として消費エネルギーを少なくし、省エネルギー化を図ることもできる。

　プラント制御部３２の温湿度制御部４２は、温湿度センサ２６により検知された温湿度を、概日リズムにより設定されている温湿度と比較して、育成ハウス１４内の温湿度を制御する信号を温湿度調整部２７に送る。温湿度調整部２７は、温湿度制御部４２からの信号に従い、育成ハウス１４内の温湿度を概日リズムに適した環境に調整する。

　養液供給制御部４４は、データベース３４の養液管理データを基に、水貯蔵部と養液貯蔵部の配管に設けられているバルブ或は流量制御弁を制御し、生育部１６で栽培されている植物への水と肥料の供給量を制御する。アクアポニックスシステムとして使用する場合は、魚を飼育する水槽の水を生育部１６で栽培されている植物へ供給する制御を行う。

　通信部４６は、外部への発信手段であり、ＬＡＮケーブル等の接続コネクタがあり、インターネット回線に接続される。勿論、有線接続ではなく無線接続でもよい。通信部４６を備えることで、プラントシステム１０の各種情報の遠隔操作も可能となる。即ち、パーソナルコンピュータや携帯電話での情報収集が可能であり、監視装置３０からの画像で植物の生育状況が把握でき、必要な場合は、光源部１８の照射のＯＮ／ＯＦＦや、温湿度の制御信号を送って育成ハウス１４内の温湿度を変えることもできる。外部環境などの事前情報は、インターネットを介して通信部４６に送られ、生育条件制御部４５で生育条件の変更及び修正をすることもできる。

　図５は、試作した実施例の概略を示す図である。使用した装置を中心に概略を示しており、プラント制御部３２はパーソナルコンピュータ（図示せず）である。育成ハウス１４の下部には生育部を設け、栽培植物７４が栽培されている。育成７４には、植物栽培ハウス１４の上部に設置されているＬＥＤ光源７８から光が照射されるようになっている。また水と養液は、養液供給部２８から配管を通して供給され、流量はバルブ８８で制御されている。バルブ８８の開閉を制御するのはソレノイドアクチュエータ８６－１である。ソレノイドアクチュエータ８６－１は、新電元メカトロニクス製ＰＳ４５Ｓ－０３０５－２４を使用した。

　太陽光調整板２２は、ステンレスを使用した反射板である。太陽光に対する角度の調整機構（図示せず）により、ソレノイドアクチュエータ８６－２、８６－３で角度を制御する。ソレノイドアクチュエータ８６－２、８６－３は、新電元メカトロニクス製小型ロータリソレノイドＯＥ（ＯＥ１２Ｖ３１１Ｒ）を使用した。

　電力源は太陽電池７６であり、再生可能エネルギーにより省エネルギー化を図っている。太陽電池も各種市販されている製品が利用できる。

　人工光源としてのＬＥＤ光源には、フルカラーＬＥＤを使用した。フルカラーＬＥＤは、赤、青、緑の３色のＬＥＤ素子が入っており、各色のＬＥＤ素子は独立して電流コントロールができる。その他、一般に市販されている植物工場用ＬＥＤ照明ランプが利用でき、受光センサ又は照度センサは、市販されているフォトＩＣダイオードを使用した。本実施例においては、光強度の他、光の波長や周波数を測定するセンサも利用し、これらセンサによる検出情報を光センサで検出した生育部内の光情報を、データベースの生育条件に含まれる光強度の情報と比較する。そして、生物センサで検出した生物の物理的・化学的状態と、データベースの生育条件に含まれる生物の物理的・化学的状態とを比較して、生育部内の光環境が生育条件に適合した光環境となるように光源部の動作を制御する。

　ＬＥＤを駆動するＬＥＤ照明用ドライバ９０には、新電元工業製のＭＣＺ５２０５ＳＥ、ＭＶ１００１ＳＣ、ＭＶ２００２ＳＧを使用すると好適である。
ＭＶ１００１ＳＣは１チャンネルのＬＥＤアレイを駆動するタイプであり、ＭＶ２００２ＳＧは２チャンネルのＬＥＤアレイを駆動するタイプである。ＬＥＤ電流制御により所望の光量に調整でき、微小電流まで制御することができ、微小な光から強い強度の光まで制御することができる。このため、徐々に光強度が変化する時間に対して、ＬＥＤの微弱光からの光制御を行う本発明の要求機能を十分に達成できる。

　ＭＣＺ５２０５ＳＥは、ＰＦＣチョッパ回路と絶縁電流共振回路によりシステムの省エネルギー化を図ることができる。ＭＶ１００１ＳＣ、ＭＶ２００２ＳＧは非絶縁チョッパ方式を採用しており、システムの省エネルギー化を図ることができる。なお、光量を減らす（軽負荷）制御の場合には、スイッチング電源の制御を最適化するためにスイッチング制御モードを変更すると好適である。例えば、光量を増やす（重負荷）制御の場合に絶縁電流共振回路のスイッチング制御を電流共振の対称モード（ハイサイドスイッチとローサイドスイッチの電流波形が対称となるモード）とし、光量を減らす（軽負荷）制御の場合に絶縁電流共振回路のスイッチング制御を電流共振の非対称モード（ハイサイドスイッチとローサイドスイッチの電流波形が非対称となるモード）となるように制御する。このように、光量に応じてスイッチング制御モードを変化させると、軽負荷から重負荷の広い負荷領域で高効率化を図ることができる。特に、微少光量（微小負荷）条件で光源を点滅動作させる場合には、スイッチング制御を間欠モード（バーストスイッチングモード）とすれば、更に、広範な光量（負荷）に応じた最適なスイッチング制御がなされ、システム全体の高効率・省エネが可能となる。

　図６は、ＬＥＤ電源回路を説明するために示す回路図である。図６に示すＬＥＤ電源回路は、ＬＥＤ照明用ドライバとして上述した新電元工業製のＭＶ１００１ＳＣ（符号９０－１）及びＭＶ２００２ＳＧ（符号９０－２）を用いている。図６（Ａ）は１チャンネルのＭＶ１００１ＳＣ及び駆動回路であり、例えばＬＥＤアレイＡ６２を駆動する。図６（Ｂ）は２チャンネルのＭＶ２００２ＳＧ及び駆動回路であり、例えばＬＥＤアレイＢ６４とＬＥＤアレイＣ６６を駆動する。ＭＶ２００２ＳＧは２チャンネルのＬＥＤアレイを独立して制御可能である。

　ＭＶ１００１ＳＣ及びＭＶ２００２ＳＧを同時に併用することで、３チャンネルのＬＥＤアレイの駆動が可能となり、基本３原色光であるＲＧＢ３色を夫々の調光信号を多重分割的に駆動する多重分割駆動ができる。夫々の多重分割信号は、ＭＶ１００１ＳＣに対してはＲＥＦ－ＧＮＤピンに、ＭＶ２００２ＳＧに対しては、ＲＥＦ１－ＧＮＤピンとＲＥＦ２－ＧＮＤピンに入力する。

　また、３色夫々の多重分割駆動は、単色夫々をオン／オフで制御するだけでなく、ＭＶ１００１ＳＣのＲＥＦ－ＧＮＤ間、ＭＶ２００２ＳＧのＲＥＦ１－ＧＮＤ、又は、ＲＥＦ２－ＧＮＤ間に、コンデンサを挿入して、平滑した直流電圧信号をそれぞれに入力し、ＤＣ電圧をＲＧＢそれぞれ異なるようにすると、様々なミックス色の光を生成できる
。

　ＲＧＢそれぞれのＬＥＤをパルス的に点滅させる場合は、ＭＶ１００１ＳＣのＲＥＦ－ＧＮＤ間、ＭＶ２００２ＳＧのＲＥＦ１－ＧＮＤ、又は、ＲＥＦ２－ＧＮＤ間に、ＰＷＭ信号、或いは、直流電圧信号を、間欠的に印加させることにより行うことができる。

　図７は、３色発光ＬＥＤ９４を説明するために示す図である。３色発光ＬＥＤ９４は、偏りを防止するため、３色のＬＥＤチップが１つのパッケージに搭載されたＬＥＤアレイからなり、複数個並べて使用する。図７（Ａ）は、３色発光ＬＥＤ９４の外観を示す図である。３色発光ＬＥＤ９４には、ＲＧＢ３色のＬＥＤとツェナーダイオード９６－１、９６－２、９６－３が搭載されている。図７（Ｂ）は、３色発光ＬＥＤ９４の回路図である。ＲＧＢ３色のＬＥＤはそれぞれが独立して駆動可能であり、複数個の３色発光ＬＥＤ９４を並べて、例えばＭＶ２００１ＳＣ及びＭＶ２００２ＳＧで、ＲＧＢ３色のＬＥＤを独立に駆動することができる。

　図８は、ＬＥＤ照明用ドライバＩＣの出力特性１００を示す図である。図８においては、ＲＥＦ端子電圧Ｖ_ＲＥＦと出力電流Ｉ_Ｏの関係を示している。ＲＥＦ端子電圧Ｖ_ＲＥＦへの入力電圧により、出力電流Ｉ_Ｏとして、微電流から最大電流までの任意の電流を出力でき、光の微妙な変化が可能である。

　太陽電池７６からの出力電力を蓄電する蓄電バッテリには、新電元工業製スマートエネルギーマネジメントシステム（ＳＯＬＧＲＩＤ　ＰＬＵＳ：登録商標）を使用した。「ＳＯＬＧＲＩＤ　ＰＬＵＳ」は、ハイブリッドパワーコンディショナであり、蓄電用にリチウムイオン電池を採用している。

　ハイブリッドパワーコンディショナは、太陽光と蓄電バッテリのパワコンを一体化することで、直接蓄電バッテリに貯めることができるので、無電力地域や外部からの電力供給が災害等で停止するような場合であっても、プラントシステムを自立的に運転継続させることができる。

　太陽光で発電した電力の電圧は、昇圧チョッパにより昇圧して電力変換を行い、太陽光発電エネルギーを蓄電バッテリに蓄えられる。昇圧チョッパは、電力変換周波数又はデューティを変えることで電圧を制御する。蓄電バッテリに蓄えられた電力は、コンバータにより負荷に対応した電力に変換して供給される。昇圧チョッパ、コンバータのスイッチング変換用のスイッチ素子、整流素子のうち、少なくとも何れか１つは、窒化ガリウム（ＧａＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）又は酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）の素子とすることにより、高速スイッチングが可能となり、システムの小型化と省エネルギー化を実現することができる。
さらに、ＬＥＤ照明用電源のスイッチング素子にも窒化ガリウム、炭化シリコン又は酸化ガリウム製の素子を使用することができる。

　図９は、第１コンバータ２００を説明するために示す図である。図９においては、昇圧チョッパ回路を使用して、再生可能エネルギーからの出力を昇圧する非絶縁型昇圧ＤＣ－ＤＣコンバータの回路例（３ストリングス構成の例）を示している。再生可能エネルギー２１０は、例えば太陽電池からの再生可能エネルギーであり、第１コンバータ２００は、太陽光パネル（ＰＶパネル）の出力を昇圧して必要な電圧に変換している。太陽光パネルからの出力は、図９に示す回路図のＤＣ１－１に接続される。入力コンデンサＣ１－１は、インダクタＣＨ－１を介して、スイッチング素子Ｑ１に並列に接続されている。

　インダクタＣＨ－１からの出力は、ダイオードＤ１を介して出力端子ＤＣ１－２に出力される。出力端子ＤＣ１－２には、平滑コンデンサＣ１－２が並列に接続されている。スイッチング制御は、ゲートに高周波数のパルス電圧を印加することによりスイッチング素子Ｑ１をオン／オフして行う。ゲートへ入力するパルス電圧の周波数又はデューティを変化させることで出力電圧の制御が可能である。出力端子ＤＣ１－２は、プラントシステムで使用されている装置の電源となる。

　昇圧チョッパの一部を構成するスイッチング素子Ｑ１～Ｑ３とダイオードＤ１～Ｄ３は、半導体モジュール２２０を構成する。半導体モジュール２２０は、複数の回路を搭載し、ここでは、３つのチョッパ回路を搭載した例を示している。スイッチング素子Ｑ１～Ｑ３はトランジスタで実現され、トランジスタがオンのとき、インダクタＣＨ－１～ＣＨ－３に蓄えられたエネルギーを入力電圧に乗せてダイオードＤ１～Ｄ３を介して放出することにより、入力電圧より高い電圧が得られる。トランジスタのオン／オフの繰り返し周波数が高くなるほどインダクタ及び平滑コンデンサは小さな値のものでよく、リプルも少なくなる。昇圧チョッパにおいて、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ３を高速にスイッチング動作させると、スイッチング損失を削減できる点で好適である。

　高速スイッチングを可能にしているのが、窒化ガリウム（ＧａＮ）製半導体素子、炭化ケイ素（ＳｉＣ）製半導体素子又は酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）製半導体素子であり、図９では、スイッチング素子Ｑ１に、例えば、窒化ガリウム製の高電子移動度トランジスタＧａＮ・ＨＥＭＴ（ＨＥＭＴ：Ｈｉｇｈ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｏｂｉｌｉｔｙ　Ｔｒｎａｓｉｓｔｏｒ）を用いている。ＧａＮ・ＨＥＭＴは、大きな破壊耐圧で電子の高速移動度を実現し、低損失であるため、省エネルギー効果の高い大電力スイッチング素子である。

　ダイオードＤ１には、例えば炭化ケイ素製のショットキーバリアダイオードＳｉＣ・ＳＢＤ（ＳＢＤ：Ｓｃｈｏｔｔｋｙ　Ｂａｒｒｉｅｒ　Ｄｉｏｄｅ）を用いている。ＳｉＣ・ＳＢＤは、リカバリー時間が短いため、逆回復電荷量が小さく低損失であり、耐圧も高く、省エネルギー効果の高い高電力ダイオードである。

　図１０は、第２コンバータ３００を説明するために示す図である。第２コンバータ３００は、双方向型ＤＣ－ＤＣコンバータであり、第１コンバータ２００の出力電圧を降圧して蓄電池３１０に出力する機能と、蓄電池３１０の電圧を昇圧して負荷に出力する機能をを有する。第２半導体モジュール３２０には、直列接続されたＧａＮ・ＨＥＭＴが並列に接属されており、Ｑ２とＱ４のスイッチング及びＱ１とＱ３のスイッチングは同期して行われ、Ｑ２とＱ４のスイッチング及びＱ１とＱ３のスイッチングは逆位相となっている。蓄電池３１０の出力端子が第２コンバータ３００の端子ＤＣ１に接続され、第２コンバータ３００の出力端子ＤＣ２が装置の電源端子となる。

　第１コンバータ２００の出力端子ＤＣ１－２（＋）、ＤＣ２－２（＋）及びＤＣ３－２（＋）は、第２コンバータ３００の出力端子ＤＣ２（＋）に接続されている。また、第１コンバータ２００の出力端子ＤＣ１－２（－）、ＤＣ２－２（－）及びＤＣ３－２（－）は、第２コンバータ３００の出力端子ＤＣ２（－）に接続されている、このため、プラントシステム１０は、太陽光パネルからの電力及び蓄電池３１０からの電力をともに利用でき、さらに、太陽光パネルからの電力を蓄電池３１０に充電することもできる。

２．実施形態に係るプラントシステム１０の効果
　実施形態に係るプラントシステム１０は以下の効果を有する。

　実施形態に係るプラントシステム１０によれば、プラント機構部１２が、光源部１８と、生育部１６内の光強度を検出する光センサ２０と、生物の物理的・化学的状態を検出する生物センサ１７とを備え、プラント制御部３２が、生物に適した生育条件を記憶したデータベース３４と、光源部１８の動作を制御する光源制御部３６とを備えるとともに、光源制御部３６が、生育部１６内の光強度と、生育条件に含まれる光強度とを比較するとともに、生物の物理的・化学的状態と、生育条件に含まれる生物の物理的・化学的状態とを比較して、生育部１６内の光環境が生育条件に適合した光環境となるように光源部１８の動作を制御することから、育成中の生物の状態（その時点での生物の状態）に応じた適切な光環境の下で生物を育成することが可能となり、従来よりも高品質（味が良い、食感がよい、外観がよい、栄養豊富、滋養に富むなど）の生物を従来よりも低い消費エネルギーで育成することが可能となる。

　実施形態に係るプラントシステム１０が、「光センサ２０として、生育部１６内の所定位置における光強度を検出する光センサや生育部１６内の所定位置において所定角度で入射する光強度を検出する光センサを用いたものである」場合や、「光センサ２０として、光の強度のみならず、光の波長も検出可能な光センサを用いたものである」場合には、育成中の生物の状態（その時点での生物の状態）に応じたより一層適切な光環境（主として、光がどのような当たり方で照射されているのかの観点でより一層適切な光環境）の下で生物を育成することが可能となり、従来よりもより一層高品質の生物を従来よりもより一層低い消費エネルギーで育成することが可能となる。

　実施形態に係る本発明のプラントシステム１０が、「光源部１８として、生育部１６内の所定位置における光環境（光強度）を形作る光源部や生育部内の所定位置において所定角度毎の光環境（光強度）を形作る光源部を用いたものである」場合や、「光源部１８として、光の強度のみならず、光の波長も調整可能な光源部を用いたものである」場合には、育成中の生物の状態（その時点での生物の状態）に応じたより一層適切な光環境（主として、どのような光強度の光が照射されているのか、どのような波長の光が照射されているのかの観点でより一層適切な光環境）の下で生物を育成することが可能となり、従来よりもより一層高品質の生物を従来よりもより一層低い消費エネルギーで育成することが可能となる。

　生物の物理的・化学的状態が、音、電気及び化学のいずれかに係るパラメータで表される情報を含むことから、生物センサを用いて生物の物理的・化学的状態を客観的に検出することができる。

　実施形態に係るプラントシステム１０が、「光源が、ＬＥＤ又は有機ＥＬを含み、光源制御部３６は、ＬＥＤ又は有機ＥＬに流す電流を最小駆動電流～最大駆動電流の範囲内で段階的又は連続的に制御することによって、ＬＥＤ又は有機ＥＬの光強度を制御するものである」場合には、光源から放射される光の強度を高精度に制御することが可能となることから、育成中の生物の状態に応じたより一層適切な光環境の下で生物を育成することが可能となり、より一層高品質の生物をより一層低い消費エネルギーで育成することが可能となる。

　実施形態に係るプラントシステム１０が、「ＬＥＤ又は有機ＥＬは、１つのパッケージに赤色発光素子、緑色発光素子又は青色発光素子のうち少なくとも２つの発光素子をそれぞれ複数個使用した構成を有し、光源制御部３６は、赤色発光素子、緑色発光素子及び青色発光素子のうち少なくとも２つの発光素子について、各前記発光素子を独立して駆動制御するものである」場合には、光源から放射される光の色や強度をより一層高精度に制御することが可能となることから、育成中の生物の状態に応じたより一層適切な光環境の下で生物を育成することが可能となり、より一層高品質の生物をより一層低い消費エネルギーで育成することが可能となる。

　実施形態に係るプラントシステム１０が、「光源制御部３６による制御が、各発光素子を一括して同時に駆動する一括駆動制御である」場合には、駆動装置が単純化され、全体として低コストなプラントシステムを実現できる。
　実施形態に係るプラントシステム１０が、「光源制御部３６による制御が、各発光素子を所定のグループ毎に分割駆動する分割駆動制御であるものである」場合には、各発光素子を適切なタイミングで発光させることが可能となることから、育成中の生物の状態に応じたより一層適切な光環境の下で生物を育成することが可能となり、より一層高品質の生物をより一層低い消費エネルギーで育成することが可能となる。また、各グループ毎に発光タイミングをずらすことにより、電力源の負担が軽減され、全体として省エネルギーでコンパクトなプラントシステムを実現できる。

　　実施形態に係るプラントシステム１０が、「光源制御部３６による制御が、各発光素子を所定のグループ毎にパルス駆動するパルス分割駆動制御であり、パルス分割駆動制御が、異なるグループ間で各発光素子の発光が時間的に重ならないように各発光素子を駆動するインターリーブ駆動である」場合には、電力源の負担が軽減され、全体として省エネルギーでコンパクトなプラントシステムを実現できる。

　実施形態に係るプラントシステム１０が、「光源制御部３６による制御として、各発光素子を点滅駆動して混合色を射出させる点滅制御と、各発光素子を調光駆動して混合色を射出させる調光制御とを含む」場合には、点滅制御及び調光制御の両方の制御が可能となることから、育成中の生物の状態に応じたより一層適切な光環境の下で生物を育成することが可能となり、より一層高品質の生物をより一層低い消費エネルギーで育成することが可能となる。

　実施形態に係るプラントシステム１０が、「光源として、紫外線を発光する紫外線光源、遠赤色光を発光する遠赤色光源及び白色光を発光する白色光源のうちの少なくとも１つをさらに含むものである」場合にはあ、育成中の生物の状態に応じたより一層適切な光環境の下で生物を育成することが可能となり、より一層高品質の生物をより一層低い消費エネルギーで育成することが可能となる。

　実施形態に係るプラントシステム１０が、「プラント機構部１２が温湿度センサ２６と温湿度調整部２７とをさらに備え、プラント制御部３２が、温湿度制御部４２をさらに備え、温湿度制御部４２が、温湿度センサ２６で検知した温度及び湿度と、生育条件に含まれる温度及び湿度とを比較して、生育部１６内の温度及び湿度が生育条件に適合した温度及び湿度となるように温湿度調整部２７を制御するものである」場合には、育成中の生物の状態に応じた適切な温湿度環境の下で生物を育成することが可能となり、より一層高品質の生物をより一層低い消費エネルギーで育成することが可能となる。

　実施形態に係るプラントシステム１０が、「プラント機構部１２が、太陽光調整板２２をさらに備え、プラント制御部３２が、太陽の移動に追従して又は太陽光を遮光するように、太陽光調整板２２の姿勢を変化させる姿勢制御又は太陽光調整板２２を移動させる移動制御を行う太陽光調整板制御部４１をさらに備え、太陽光調整板制御部４１が、光センサ２０で検知した光強度と、生育条件に含まれる光強度とを比較して、生育部１６内の光環境が生育条件に適合した光環境となるように太陽光調整板２２の姿勢制御又は移動制御を行うことものである」場合には、太陽光を利用しながらも、育成中の生物の状態に応じた適切な光環境の下で生物を育成することが可能となり、高品質の生物をより一層低い消費エネルギーで育成することが可能となる。

　実施形態に係るプラントシステム１０が、「プラント制御部３２が、太陽光による補光を制限する補光制御部４０をさらに備え、光源制御部３６が、光センサ２０が検出した光強度と、生育条件に含まれる光強度とを比較して、光センサ２０が検出した光強度が生育条件に含まれる光強度より低い場合には光源を駆動して不足分を補光し、補光制御部４０が、光センサ２０が検出した光強度と、生育条件に含まれる光強度とを比較して、光センサ２０が検出した光強度が生育条件に含まれる光強度より高い場合には太陽光調整板２２の姿勢制御又は移動制御を行って太陽光による補光を制限するものである」場合には、太陽光の光強度が低い場合には光源で補光し、太陽光の光強度が高い場合には太陽光による補光（太陽光の供給）を絞ることにより、太陽光を利用しながらも、常に、育成中の生物の状態に応じた適切な光環境の下で生物を育成することが可能となり、高品質の生物をより一層低い消費エネルギーで育成することが可能となる。

　実施形態に係るプラントシステム１０が、「太陽光調整板２２に、生物に有害な波長の光をカットする光学フィルタ又は太陽光を生育部１６に導光する光ファイバが設けられているものである」場合には、太陽光を利用しながらも、常に、育成中の生物の状態に応じた適切な光環境の下で生物を育成することが可能となり、高品質の生物をより一層低い消費エネルギーで育成することが可能となる。

　実施形態に係るプラントシステム１０が、「プラント機構部１２が、生物に供給する養液を貯蔵した養液槽を有する養液供給部２８をさらに備え、プラント制御部３２が、養液を生物に供給する養液供給制御部４４をさらに備え、当該養液供給制御部４４が、生物センサ１７で検出した生物の物理的・化学的状態と、生育条件に含まれる生物の物理的・化学的状態とを比較し、養液の組成、供給量及び温度のうち少なくとも１つが生育条件に適合した養液の組成、供給量及び温度のうち少なくとも１つとなるように養液供給部の動作を制御するものである」場合には、育成中の生物の状態に応じた適切な養液供給環境の下で生物を育成することが可能となり、より一層高品質の生物をより一層低い消費エネルギーで育成することが可能となる。

　実施形態に係るプラントシステム１０が、「養液供給部２８が、魚類の養殖を行う水槽をさらに備え、養液供給部２８が、魚類の排泄物を含む養液を生育部１６に供給するものである」場合には、育成中の生物の状態に応じた適切な養液供給環境の下で生物を育成することが可能となり、より一層高品質の生物をより一層低い消費エネルギーで育成することが可能となる。

　実施形態に係るプラントシステム１０が、「データベース３４が、生育条件として、植物の概日リズムによる生育条件を記憶するとともに、生物の成長速度を制御するための、光強度ストレスデータ、温度ストレスデータ又は乾燥ストレスデータを含む環境ストレスデータを記憶するものである」場合には、適度な成長抑制期間を置きながら植物を栽培することが可能となり、より一層高品質の植物をより一層低い消費エネルギーで栽培することが可能となる。

　実施形態に係るプラントシステム１０が、「プラント機構部１２が、生育部１６で育成する生物の監視装置３０をさらに備え、プラント制御部３２が、通信部４６と、インターネットを介してパーソナルコンピュータ又は携帯用端末から生育条件の変更又は修正を行う機能、及び、監視装置３０による監視情報又は外部から提供される気象情報に基づいて生育条件の変更又は修正を行う機能を備えた生育条件制御部４５とを備えるものである」場合には、より一層高品質の生物をより一層低い消費エネルギーで育成することが可能となる。

　実施形態に係るプラントシステム１０が、「プラント制御部３２が、電力源２４の動作を制御する電力源制御部３７をさらに備え、集中制御部３９が、データベース３４及び光源制御部３６に加えて電力源制御部３７の動作連携を制御するものである」場合には、生育部の環境（光強度、温湿度など）、外部環境（季節、時刻、天候、気温、湿度）、生物の物理的・化学的状態などに応じて、電力源の動作を適切に制御することができることから、高品質の生物をより一層低い消費エネルギーで育成することが可能となる。

　実施形態に係るプラントシステム１０が、「電力源２４が、再生可能エネルギーを利用した電力を用いた電力源であり、当該再生可能エネルギーが、太陽光、風力、水力、地熱、太陽熱、自然界に存在する熱、廃棄物処理エネルギー又はバイオマスをエネルギー源とするものである」場合には、プラント機構部１２が、電力源２４として、再生可能エネルギーを利用した電力を用いた電力源を備えることから、エネルギーコストをより一層低減することができる。この場合、プラント制御部３２が、電力源２４の動作を制御する電力源制御部３７をさらに備えるものである場合には、再生可能エネルギーが一般的には自然環境に左右されやすいエネルギー源であってとしても、プラントシステムを安定して稼働させることが可能となる。

　実施形態に係るプラントシステム１０が、「電力源２４が、第１コンバータ２００と、電力を蓄えるバッテリ３１０と、第２コンバータ３００とを備え、第１コンバータ２００が、再生可能エネルギー２１０から産生された電力を負荷に対応した電力に変換する機能を有する単方向スイッチング型のスイッチングデバイスからなり、第２コンバータ３００が、『第１コンバータ２００が変換した電力をバッテリ３１０に対応した電力に変換する機能及びバッテリ３１０に蓄えた電力を負荷に対応した電力に変換する機能を有する双方向スイッチング型のスイッチングデバイスからなることものである』」場合には、再生可能エネルギーを利用可能なシステムでありながら、再生可能エネルギーの産出状況に左右されずに安定稼働可能なプラントシステムとなる。

　実施形態に係るプラントシステム１０が、「第１コンバータ２００及び第２コンバータ３００のいずれか一方又は両方が、窒化ガリウム製半導体素子、炭化ケイ素製半導体素子及び酸化ガリウム製半導体素子のうち少なくとも１つを含むスイッチングデバイスからなるものである」場合には、電力源２４が、第１コンバータ２００及び第２コンバータ３００のいずれか一方又は両方が、スイッチングのオン／オフ速度が高スルーレートであり、かつ、高い周波数で動作可能な半導体素子を含むスイッチングデバイスからなることから、電力源が高効率なものとなり、消費エネルギーをより一層低減することができる。

　実施形態に係るプラントシステム１０が、「第１コンバータ２００及び第２コンバータ３００が、少なくともスイッチング周波数又はデューティを変えることで電圧を制御する機能を有するものである」場合には、スイッチング周波数又はデューティの制御を、電力源制御部及び／又は集中制御部の制御に基づいて行うことにより、電力源が、システムに必要な電力を光センサや生物センサの情報に応じて供給することが可能となり、従来技術と比べて消費エネルギーを極めて小さくすることができる。

　実施形態に係るプラントシステム１０が、「プラント機構部１２が、太陽光から電力及び熱を産生可能な太陽光パネルをさらに備え、太陽光パネルに蓄えられた熱を、「育成ハウス１６」、「生物に供給する養液を貯蔵した養液槽」及び「生物に供給する水を貯蔵した水槽」のうち少なくとも１つ供給するものである」場合には、太陽光パネルが産生した熱を太陽熱として育成ハウス、養液槽及び水槽のうちの少なくとも１つに供給して循環させることが可能となることから、消費エネルギーをより一層低減することができる。

　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。

１０　プラントシステム、１２　プラント機構部、１４　育成ハウス、１６　生育部、１７　生物センサ、１８　光源部、２０　光センサ、２２　太陽光調整板、２４　電力源、２６　温湿度センサ、２７　温湿度調整部、２８　養液供給部、３０　監視装置、３２　プラント制御部、３４　データベース、３５　生物センサ制御部、３６　光源制御部、３７　電力源制御部、３８　多重分割駆動制御部、３９　集中制御部、４０　補光制御部、４２　温湿度制御部、４４　養液供給制御部、４５　生育条件制御部、４６　通信部、５０　概日リズム、５２　光強度、５４　太陽光（晴天）、５６　太陽光（雨天）、６０　ＬＥＤ光源、６２　ＬＥＤアレイＡ、６４　ＬＥＤアレイＢ、６６　ＬＥＤアレイＣ、６８　ＬＥＤ素子、７０　ＬＥＤ光源の多重分割駆動、７４　栽培植物、７６　太陽電池、７８　ＬＥＤ光源、８０　蓄電バッテリ、８２　コンバータ、８４　ＧａＮモジュール、８６－１，８６－２，８６－３　ソレノイドアクチュエータ、８８　バルブ、９０－１，９０－２　ＬＥＤ照明用ドライバＩＣ、９４　３色発光ＬＥＤ、９６－１，９６－２，９６－３　ツェナーダイオード、１００　ＬＥＤ照明用ドライバＩＣ出力特性、２００　第１コンバータ、２１０　再生可能エネルギー、２２０　第１半導体モジュール、３００　第２コンバータ、３１０　蓄電池（バッテリ）、３２０　第２半導体モジュール

Claims

　プラント機構部と、前記プラント機構部の動作を制御するプラント制御部とを備えるプラントシステムであって、
　前記プラント機構部は、
　生物の生育部を設けた育成ハウスと、
　複数の光源が配置された光源部と、
　前記生育部内の光強度を検出する光センサと、
　前記生物の物理的・化学的状態を検出する生物センサと、
　動作に必要な電力を供給する電力源とを備え、
　前記プラント制御部は、
　前記生物に適した生育条件を記憶したデータベースと、
　前記光源部の動作を制御する光源制御部と、
　前記データベース及び前記光源制御部の動作連携を制御する集中制御部とを備え、
　前記光源制御部は、前記光センサで検出した前記生育部内の光強度と、前記データベースの前記生育条件に含まれる光強度とを比較するとともに、前記生物センサで検出した前記生物の物理的・化学的状態と、前記データベースの前記生育条件に含まれる前記生物の物理的・化学的状態とを比較して、前記生育部内の光環境が前記生育条件に適合した光環境となるように前記光源部の動作を制御することを特徴とするプラントシステム。
　前記生物の物理的・化学的状態は、音、電気及び化学のいずれかに係るパラメータで表される情報を含むことを特徴とする請求項１に記載のプラントシステム。
　前記光源は、ＬＥＤ又は有機ＥＬを含み、
　前記光源制御部は、前記ＬＥＤ又は前記有機ＥＬに流す電流を最小駆動電流～最大駆動電流の範囲内で段階的又は連続的に制御することによって、前記ＬＥＤ又は前記有機ＥＬの光強度を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載のプラントシステム。
　前記ＬＥＤ又は前記有機ＥＬは、１つのパッケージに赤色発光素子、緑色発光素子又は青色発光素子のうち少なくとも２つの発光素子をそれぞれ複数個使用した構成を有し、
　前記光源制御部は、前記赤色発光素子、前記緑色発光素子及び前記青色発光素子のうち少なくとも２つの発光素子について、各前記発光素子を独立して駆動制御することを特徴とする請求項３に記載のプラントシステム。
　前記光源制御部による制御は、各前記発光素子を一括して同時に駆動する一括駆動制御、又は、各前記発光素子を所定のグループ毎に分割駆動する分割駆動制御であることを特徴とする請求項４に記載のプラントシステム。
　前記光源制御部による制御は、各前記発光素子を所定のグループ毎にパルス駆動するパルス分割駆動制御であり、
　前記パルス分割駆動制御は、異なる前記グループ間で各前記発光素子の発光が時間的に重ならないように各前記発光素子を駆動するインターリーブ駆動であることを特徴とする請求項５に記載のプラントシステム。
　前記光源制御部による制御は、各前記発光素子を点滅駆動して混合色を射出させる点滅制御と、各前記発光素子を調光駆動して混合色を射出させる調光制御とを含むことを特徴とする請求項５又は６のいずれかに記載のプラントシステム。
　前記光源は、紫外線を発光する紫外線光源、遠赤色光を発光する遠赤色光源及び白色光を発光する白色光源のうちの少なくとも１つをさらに含むことを特徴とする請求項３～７のいずれかに記載のプラントシステム。
　前記プラント機構部は、
　前記生育部内の温度及び湿度を検知する温湿度センサと、
　前記生育部内の温度及び湿度を調整する温湿度調整部とをさらに備え、
　前記プラント制御部は、
　前記温湿度調整部を制御する温湿度制御部をさらに備え、
　前記温湿度制御部は、前記温湿度センサで検知した温度及び湿度と、前記生育条件に含まれる温度及び湿度とを比較して、前記生育部内の温度及び湿度が前記生育条件に適合した温度及び湿度となるように前記温湿度調整部を制御することを特徴とする請求項１～８のいずれかに記載のプラントシステム。
　前記プラント機構部は、
　太陽光を反射して前記育成ハウス内に取り込む反射機能と前記太陽光を遮光する遮光機能とを有する太陽光調整板をさらに備え、
　前記プラント制御部は、
　太陽の移動に追従して又は太陽光を遮光するように、前記太陽光調整板の姿勢を変化させる姿勢制御又は前記太陽光調整板を移動させる移動制御を行う太陽光調整板制御部をさらに備え、
　前記太陽光調整板制御部は、前記光センサで検知した光強度と、前記生育条件に含まれる光強度とを比較して、前記生育部内の光環境が前記生育条件に適合した光環境となるように前記太陽光調整板の姿勢制御又は移動制御を行うことを特徴とする請求項１～９のいずれかに記載のプラントシステム。
　前記プラント制御部は、太陽光による補光を制限する補光制御部をさらに備え、
　前記光源制御部は、前記光センサが検出した光強度と、前記生育条件に含まれる光強度とを比較して、前記光センサが検出した光強度が前記生育条件に含まれる光強度より低い場合には前記光源を駆動して不足分を補光し、
　前記補光制御部は、前記光センサが検出した光強度と、生育条件に含まれる光強度とを比較して、前記光センサが検出した光強度が生育条件に含まれる光強度より高い場合には前記太陽光調整板の姿勢制御又は移動制御を行って太陽光による補光を制限することを特徴とする請求項１０に記載のプラントシステム。
　前記プラント機構部は、
　前記生物に供給する養液を貯蔵した養液槽を有する養液供給部をさらに備え、
　前記プラント制御部は、
　前記養液を前記生物に供給する養液供給制御部をさらに備え、
　前記養液供給制御部は、前記生物センサで検出した前記生物の物理的・化学的状態と、前記生育条件に含まれる前記生物の物理的・化学的状態とを比較し、前記養液の組成、供給量及び温度のうち少なくとも１つが前記生育条件に適合した養液の組成、供給量及び温度のうち少なくとも１つとなるように前記養液供給部の動作を制御することを特徴とする請求項１～１１のいずれかに記載のプラントシステム。
　前記養液供給部は、魚類の養殖を行う水槽をさらに備え、
　前記養液供給部は、前記魚類の排泄物を含む養液を前記生育部に供給することを特徴とする請求項１２に記載のプラントシステム。
　前記生物は植物を含み、
　前記育成ハウスは植物栽培ハウスを含み、
　前記データベースは、前記生育条件として、前記植物の概日リズムによる生育条件を記憶するとともに、前記生物の成長速度を制御するための、光強度ストレスデータ、温度ストレスデータ又は乾燥ストレスデータを含む環境ストレスデータを記憶することを特徴とする請求項１～１３のいずれかに記載のプラントシステム。
　前記プラント機構部は、
　前記生育部で育成する生物の監視装置をさらに備え、
　前記プラント制御部は、
　通信部と、
　インターネットを介してパーソナルコンピュータ又は携帯用端末から前記生育条件の変更又は修正を行う機能、及び、前記監視装置による監視情報又は外部から提供される気象情報に基づいて生育条件の変更又は修正を行う機能を備えた生育条件制御部とを備えることを特徴とする請求項１～１４のいずれかに記載のプラントシステム。
　前記プラント制御部は、
　前記電力源の動作を制御する電力源制御部をさらに備え、　
　前記集中制御部は、前記データベース及び前記光源制御部に加えて前記電力源制御部の動作連携を制御することを特徴とする請求項１～１５のいずれかに記載のプラントシステム。
　前記電力源は、再生可能エネルギーを利用した電力を用いた電力源であり、
　前記再生可能エネルギーは、太陽光、風力、水力、地熱、太陽熱、自然界に存在する熱、廃棄物処理エネルギー又はバイオマスをエネルギー源とするものであることを特徴とする請求項１～１６のいずれかに記載のプラントシステム。
　前記電力源は、
　第１コンバータと、
　電力を蓄えるバッテリと、
　第２コンバータとを備え、
　前記第１コンバータは、前記再生可能エネルギーから産生された電力を負荷に対応した電力に変換する機能を有する単方向スイッチング型のスイッチングデバイスからなり、
　前記第２コンバータは、前記第１コンバータが変換した電力を前記バッテリに対応した電力に変換する機能及び前記バッテリに蓄えた電力を負荷に対応した電力に変換する機能を有する双方向スイッチング型のスイッチングデバイスからなることを特徴とする請求項１７に記載のプラントシステム。
　前記第１コンバータ及び前記第２コンバータのいずれか一方又は両方は、窒化ガリウム製半導体素子、炭化ケイ素製半導体素子及び酸化ガリウム製半導体素子のうち少なくとも１つを含むスイッチングデバイスからなることを特徴とする請求項１８に記載のプラントシステム。
　前記プラント機構部は、太陽光から電力及び熱を産生可能な太陽光パネルをさらに備え、
　前記太陽光パネルが産生した熱を「前記育成ハウス」、「生物に供給する養液を貯蔵した養液槽」及び「生物に供給する水を貯蔵した水槽」のうち少なくとも１つに供給することを特徴とする請求項１～１９に記載のプラントシステム。