태양 전지의 식물 성장 촉진제. 계획, 설명

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태양전지를 이용한 식물생장촉진제. 무선전자공학 및 전기공학 백과사전

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태양전지의 놀라운 적용 범위를 고려할 때 태양전지는 정말 놀랍습니다. 시계에 전원을 공급하는 소형 태양전지가 알려져 있으며, 고강도 백열등의 전원 공급 시스템을 위한 상대적으로 강력한 태양전지도 알려져 있습니다. 실제로 태양전지의 범위는 상당히 넓다.

아래는 믿기 힘든 태양전지의 응용 사례입니다. 우리는 식물 성장을 자극하는 광전 변환기에 대해 이야기하고 있습니다. 말도 안 되는 것 같나요?

식물 성장

우선 식물생활의 기본을 잘 아는 것이 가장 좋으며, 대부분의 독자들은 식물생활의 주요 원동력인 광합성 현상에 대해 잘 알고 있을 것이다. 본질적으로 광합성은 햇빛이 식물 영양을 발생시키는 과정입니다.

광합성 과정은 이 책에서 설명할 수 있고 적절한 것보다 훨씬 복잡하지만 그 과정은 다음과 같습니다. 모든 녹색 식물의 잎은 수천 개의 개별 세포로 구성됩니다. 그들은 잎에 녹색을 주는 엽록소라는 물질을 함유하고 있습니다. 각 세포는 소형 화학 공장입니다. 광자라고 불리는 빛의 입자가 세포에 들어가면 엽록소에 흡수됩니다. 이 과정에서 방출된 광자 에너지는 엽록소를 활성화하고 일련의 변형을 일으켜 궁극적으로 당과 전분의 형성으로 이어지며, 이는 식물에 흡수되어 성장을 촉진합니다.

태양광 식물 성장 촉진제

이러한 물질은 식물이 필요로 할 때까지 세포에 저장됩니다. 잎이 식물에 제공할 수 있는 영양분의 양은 잎 표면에 떨어지는 햇빛의 양에 정비례한다고 가정하는 것이 안전합니다. 이 현상은 태양전지의 에너지 변환과 유사하다.

뿌리에 대한 몇 마디

그러나 햇빛만으로는 식물에 충분하지 않습니다. 영양분을 생산하려면 잎에 원료가 있어야 합니다. 그러한 물질의 공급자는 토양에서 흡수되는 개발된 뿌리 시스템입니다. 또는 오히려 토양뿐만 아니라 공기에서도 가능합니다. 인간과 동물에게 다행스럽게도 식물은 낮 동안 이산화탄소를 흡입합니다. 이를 통해 우리는 흡입하는 공기에 비해 이산화탄소 대 산소의 비율이 크게 증가하는 공기를 내뿜어 지속적으로 대기를 풍부하게 만듭니다.

복잡한 구조인 뿌리는 햇빛만큼 식물 발달에 중요합니다. 일반적으로 뿌리 시스템은 그것이 먹이를 주는 식물만큼 광범위하고 가지가 갈라져 있습니다. 예를 들어, 높이 10cm의 건강한 식물에는 땅속 깊이 10cm까지 들어가는 뿌리 시스템이 있다는 것이 밝혀질 수 있습니다. 물론 이것이 항상 발생하는 것은 아니며 모든 식물에 적용되는 것은 아니지만 일반적으로 그렇습니다.

따라서 뿌리 시스템의 성장이 어떻게든 향상될 수 있다면 식물의 윗부분도 그에 따라 같은 양만큼 성장할 것이라고 기대하는 것이 논리적입니다. 실제로 이런 일이 일어납니다. 아직 완전히 이해되지 않은 작용 덕분에 약한 전류가 실제로 뿌리 시스템의 발달을 촉진하여 식물의 성장을 촉진한다는 것이 밝혀졌습니다. 이러한 전류에 의한 자극은 광합성 과정에서 일반적인 방법으로 얻은 에너지를 실제로 보충하는 것으로 추정됩니다.

광전 및 광합성

광합성 중 잎 세포와 마찬가지로 태양 전지는 빛의 광자를 흡수하여 그 에너지를 전기 에너지로 변환합니다. 그러나 태양전지는 식물의 잎과 달리 변환 기능을 훨씬 더 잘 수행합니다. 따라서 일반적인 태양전지는 그 위에 떨어지는 빛의 최소 10%를 전기 에너지로 변환합니다. 반면, 광합성 중에는 입사광의 거의 0,1%가 에너지로 변환됩니다.

하나의 태양전지가 식물의 뿌리 시스템에 연결되면 식물의 성장이 촉진됩니다. 하지만 여기에는 한 가지 트릭이 있습니다. 뿌리 성장을 자극하면 그늘진 식물에서 더 나은 결과를 얻을 수 있다는 사실에 있습니다.

뿌리 자극기의 이점이 있습니까? 이는 두 식물의 사진을 보면 알 수 있는데, 둘 다 같은 종류와 나이, 동일한 조건에서 자라고 있습니다. 왼쪽 식물에는 뿌리 시스템 자극기가 있습니다.

실험을 위해 길이 10cm의 묘목을 선정하였고, 상당한 거리에 위치한 창문을 통해 약한 햇빛이 들어오는 실내에서 자랐다. 태양광 전지의 면판을 햇빛 방향으로 향하게 하는 것 외에 다른 식물을 선호하려는 시도는 없었습니다.

실험은 약 1개월간 진행됐다. 35일에 찍은 사진입니다. 뿌리계 자극기를 갖춘 식물이 대조 식물보다 2배 이상 크다는 점은 주목할 만합니다.

태양광 식물 성장 촉진제
Pic.1

연구에 따르면 강한 햇빛에 노출된 식물은 뿌리 자극으로 인한 혜택이 거의 또는 전혀 없는 것으로 나타났습니다. 이는 아마도 그러한 식물이 광합성을 통해 충분한 에너지를 얻기 때문일 것입니다. 분명히 자극 효과는 식물의 유일한 에너지원이 광전 변환기(태양전지)일 때만 나타납니다.

그러나 태양 전지는 광합성 중에 잎보다 훨씬 더 효율적으로 빛을 에너지로 변환한다는 점을 기억해야 합니다. 특히 실내 조명으로 매일 사용하는 형광등이나 백열등의 빛과 같이 식물에 전혀 쓸모가 없는 빛을 유용한 양의 전기로 변환할 수 있습니다. 또한 실험에 따르면 약한 전류에 노출된 씨앗은 발아를 가속화하고 새싹 수를 늘리며 궁극적으로 수확량을 늘리는 것으로 나타났습니다.

성장 촉진제의 설계

이론을 테스트하는 데 필요한 것은 단일 태양전지뿐입니다. 그러나 뿌리 근처 땅에 쉽게 박힐 수 있는 한 쌍의 전극이 여전히 필요합니다(그림 2).

태양광 식물 성장 촉진제
Pic.2

두 개의 긴 못을 식물 근처의 땅에 꽂고 전선으로 일종의 태양 전지에 연결하면 뿌리 자극기를 빠르고 쉽게 테스트할 수 있습니다.

뿌리 시스템을 자극하는 데 필요한 전류는 무시할 수 있으므로 태양 전지의 크기는 본질적으로 중요하지 않습니다. 그러나 최상의 결과를 얻으려면 태양전지 표면이 더 많은 빛을 포착할 수 있을 만큼 커야 합니다. 이러한 조건을 고려하여 뿌리 시스템 자극기로 직경 6cm의 요소를 선택했습니다.

두 개의 스테인레스 스틸 막대가 요소 디스크에 연결되었습니다. 그 중 하나는 소자의 후면 접점에 납땜되었고, 다른 하나는 상부 전류 수집 그리드에 납땜되었습니다(그림 3). 그러나 요소가 너무 약하고 얇기 때문에 막대 고정 장치로 사용하지 않는 것이 좋습니다.

태양광 식물 성장 촉진제
Pic.3

약간 더 큰 금속판(주로 알루미늄 또는 스테인레스 스틸)에 태양전지를 장착하는 것이 가장 좋습니다. 요소 뒷면에 있는 플레이트의 전기적 접촉이 안정적인지 확인한 후 막대 하나를 플레이트에 연결하고 다른 막대를 전류 수집 그리드에 연결할 수 있습니다.

다른 방법으로 구조를 조립할 수 있습니다. 요소, 막대 및 기타 모든 것을 플라스틱 보호 케이스에 넣으십시오. 잡화점, 철물점 또는 사무용품점에서 찾을 수 있는 얇은 투명 플라스틱 상자(예: 기념 동전 포장용)가 이러한 목적에 매우 적합합니다. 금속 막대가 비틀리거나 구부러지지 않도록 강화하기만 하면 됩니다. 전체 제품을 액체 경화 폴리머 조성물로 채울 수도 있습니다.

그러나 액체 폴리머가 경화되면 수축이 발생한다는 점을 명심해야 합니다. 요소와 부착된 막대가 단단히 고정되어 있으면 문제가 발생하지 않습니다. 고분자 화합물이 수축하는 동안 로드가 제대로 고정되지 않으면 요소가 파손되어 파손될 수 있습니다.

요소는 또한 외부 환경으로부터 보호가 필요합니다. 실리콘 태양전지는 약간 흡습성이 있어 소량의 물을 흡수할 수 있습니다. 물론 시간이 지남에 따라 물은 결정 내부로 조금씩 침투하여 가장 많이 노출된 원자 결합을 분해합니다. 그 결과, 소자의 전기적 특성이 저하되고, 결국에는 완전히 고장이 나게 됩니다.

습기의 영향으로 태양전지 매개변수가 저하되는 메커니즘은 다릅니다. 우선 금속 접점의 부식과 반사 방지 코팅의 벗겨짐이 발생하고 태양전지 끝에 전도성 점퍼가 나타나 pn 접합을 전환합니다.

요소가 적절한 폴리머 구성으로 채워지면 문제가 해결된 것으로 간주할 수 있습니다. 요소를 부착하는 다른 방법에는 다른 솔루션이 필요합니다.

부품 목록

직경 6cm의 태양전지; 길이가 약 2cm인 스테인리스 스틸 막대 20개; 적합한 플라스틱 상자(텍스트 참조).

성장촉진제 실험

이제 자극기가 준비되었으므로 두 개의 금속 막대를 뿌리 근처 땅에 꽂아야 합니다. 태양 전지가 나머지 작업을 수행합니다.

이런 간단한 실험을 할 수 있습니다. 비슷한 조건에서 자라는 두 개의 동일한 식물을 선택하십시오. 별도의 화분에 심습니다. 화분 중 하나에 뿌리 계통 자극기 전극을 삽입하고 제어를 위해 두 번째 식물을 남겨 둡니다. 이제 두 식물을 동등하게 돌보고 동시에 물을 주고 동등한 관심을 기울여야 합니다.

약 30일 후에 두 식물 사이에 놀라운 차이가 있음을 알게 될 것입니다. 뿌리 자극제가 있는 식물은 대조 식물보다 분명히 키가 크고 잎도 더 많을 것입니다. 이 실험은 인공 조명만 사용하여 실내에서 수행하는 것이 가장 좋습니다.

자극기는 실내 식물에 사용되어 건강을 유지할 수 있습니다. 정원사 또는 꽃 재배자는 이를 사용하여 종자 발아 속도를 높이거나 식물의 뿌리 시스템을 개선할 수 있습니다. 이 자극제의 사용 유형에 관계없이 이 분야에서 좋은 실험을 할 수 있습니다.

저자: 바이어스 T.

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로봇 원예 시스템 AlphaGarden 10.06.2023

미국 엔지니어들은 정원에서 AlphaGarden 로봇 시스템의 성공을 전문 정원사가 식물을 돌보는 방법과 비교했습니다. AlphaGarden은 사람들이 하는 것처럼 식물의 상태를 독립적으로 모니터링하고 필요한 경우 물을 주거나 자를 수 있는 것으로 나타났습니다.

AlphaGarden은 University of California, Berkeley의 엔지니어와 함께 개발한 자동 식물 재배 시스템입니다. 여기에는 정원에 씨를 뿌리고 채소를 자르고 물을 줄 수 있는 플랫폼과 신경망을 사용하여 적시에 올바른 방식으로 필요한 모든 조작을 수행할 수 있는 자율 시스템이 포함됩니다.

식물을 돌보도록 훈련된 신경망은 플랫폼에 설치된 카메라와 수분 센서의 데이터를 사용하여 각 식물이 필요한 관리를 받도록 합니다. 따라서 AlphaGarden은 다양한 식물이 동시에 자라는 다문화 채소밭에서 사용할 수 있습니다.

새로운 연구에서 과학자들은 채소밭에서 AlphaGarden의 성능을 전문 정원사의 성능과 비교하기 시작했습니다. 어쨌든 두 정원 모두 케일, 오이, 겨자, 붉은 상추 등 32그루의 식물을 심었습니다. 60일 동안 AlphaGarden은 플랫폼 운영에 거의 또는 전혀 간섭하지 않고 부지를 관리했고 정원사는 그들의 부지를 관리했습니다. IEEE Spectrum에 따르면 AlphaGarden은 식물 가지치기의 일부 단계에서 사람의 도움이 필요했습니다.

실험 결과 AlphaGarden은 정원과 사람을 돌볼 수 있을 뿐만 아니라 경제적으로도 더 경제적이라는 것을 보여주었습니다. 그 결과 플랫폼은 정원사보다 정원에 물을 44% 적게 사용하는 것으로 나타났습니다.

시스템 개발자는 AlphaGarden, 특히 식물 상태를 모니터링하는 알고리즘을 지속적으로 개선할 것입니다. 연구자들은 또한 AlphaGarden에 조명 시스템을 포함시켜 실내에서 고품질로 식물을 재배할 수 있도록 할 계획입니다.

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