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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.47 No.6 pp.311-319
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2013.47.6.311

순환형 딸기 재배시스템 개발

강동현1, 이시영1, 김영중1, 김종구1, 최홍기1, 민영봉2*
1농촌진흥청 국립농업과학원 농업공학부 에너지환경공학과, 2경상대학교 생물산업기계공학과(농업생명과학연구원)

Development of Circulating-type Cultivating System for Strawberry Cultivation

Young-Bong Min2*, Dong-Hyeon Kang1, Si-Young Lee1, Young-Jung Kim1, Jong-Goo Kim1, Hong-Gi Choi1
2Dept. of Bio-Industrial Machinery Eng, Gyeongsang National Univ.(Insti. of Agric. & Life Sci.), Jinju 660-701, Korea
1Energy & Environmental Division, Department of Agricultural Engineering, NAAS, RDA, Suwon, Republic of Korea
Received: SEP. 29. 2013, Revised: NOV. 8. 2013, Accepted: NOV. 28. 2013

Abstract

This study was conducted to develop the circulating-type cultivating system for strawberrycultivation that enables to improve work and energy efficiency. The system consists of 2longitudinally-moving units, 2 laterally-moving units, 10 cultivation bed units, a nutrient supply unitand a control unit. The planting density using the system was 20~22 plant/m2, which is about 2.1times more than the one by the conventional culture. The maximum pull-in force was observed atthe point where the longitudinal moving started. The motor torque for longitudinal-moving wascalculated using the design weight of the system, which was 0.83 Nm and over. The electricconsumption for harvesting and managing 10 cultivation beds was 41.1 Wh. The maximumvibration of cultivation bed was approximately 5.26 degree when a cultivation bed moved by alateral movement unit.

 

0090-01-0047-0006-33.pdf938.4KB

Ⅰ. 서론

 최근 딸기재배는 겨울철 하우스 내 토양에서 주로 재배되기 때문에 고역작업이고 노동력 부족 등으로 재배농가 및 면적은 점차 줄어들고 있으나, 생산기술 및 품종개량 등으로 생산량은 2009년 약 200,000톤이고, 수출은 2,380톤으로 매년 꾸준히 늘어나고 있다. 이러한 생산량 증가에 크게 기여한 것은 일계성 품종의 딸기묘를 9월에 정식하고 11월부터 다음해 5월까지 수확하는 촉성재배 및 다수확 품종 개발, 고설재배방식의 채택을 들 수 있다(Kim et al., 2004). 고설재배는 작물을 토양에서 직접 재배하지 않고, 영양분은 양액을 통해 공급하는 농법을 의미한다. 고설재배는 토양 염류에 의한 연작, 전염병, 토양해충 등의 피해를 예방하고 방제, 제초, 수확작업 등을 수행하는 작업자가 서서 작업을 할 수 있어 앉아서 작업을 수행하는 토경재배에 비해 피로를 절감시키는 장점을 가진다(Jun et al., 2013). 또한 대부분의 토경에서는 지열에 의해 뿌리부분에 냉해를 입지 않기 때문에 대부분 수막을 이용하여 보온하고 약간의 난방을 실시하고 있으나, 고설재배는 뿌리부분의 냉해 방지를 위하여 난방기를 지속적으로 사용하는 가온 방식으로 바뀌면서 난방에너지 비용이 높아지는 단점을 가진다. 이러한 단점을 보완하기 위해서는 단위 가온면적당 수확량을 늘려야 하는데, 그 방법은 1개 작물에서의 수확량을 늘리는 방법과 단위면적당 재식밀도를 높이는 것이다. 우리나라의 경우 평방미터당 딸기의 생산량은 유럽의 10 kg(Hayashi et al., 2011)에 비하여 아주 적은 2.95 kg수준으로 생산량을 증대시키기 위한 많은 연구가 필요한 실정이다. 생산량은 증가시키면서 노동력 부족을 해결하기 위한 방안으로 본 연구에서는 작업자의 이동공간을 최소화하여 재식주수를 증가시킬 수 있고, 재배베드를 이동시켜 작업자의 노동부하를 최소화 시킬 수 있으며, 한 곳에서 정식 및 수확작업을 수행할 수 있어 작업부하 등을 저감할 수 있는 이동형 재배장치를 개발하였다. 이동형 재배장치에 관한 연구는 엽채류나 분화재배를 대상으로 많은 연구가 진행 되었고, 그 형식으로는 단방향 이동시스템(Chang et al., 2005), 순환형 시스템(Kim, 2010), 수직형 시스템(Kim et al., 2010) 등이 수행된바 있다. 하지만 과채류에 대해서는 일부 토마토에 대해서는 이동형 재배장치에 대한 연구가 수행된 바 있으나 딸기에 대한 이동재배시스템에 관한 연구는 많지 않다.

 따라서 본 연구에서는 딸기의 밀식재배를 통한 생산량 증대 및 에너지 이용효율을 증가시키고, 작업자의 작업부하를 감소시키기 위하여 재배베드가 이동하는 순환형 딸기 재배베드 시스템을 개발하고 그 성능시험을 실시하였다.

Ⅱ. 재료 및 방법

2.1 순환형 딸기 재배시스템 개요

 딸기 재배작업에 필요한 노동력 및 에너지를 절감하기 위하여 Fig. 1과 같이 순환형 딸기 재배베드 시스템을 설계 제작하였다. 시스템은 지지프레임 상단에 이동형 재배베드부를 설치하고 이를 이동시키기 위한 길이방향 이송장치, 측면이송장치, 양액공급부 및 제어부로 구성하였다. 재배베드간 거리는 재배베드 이송장치의 간단한 조작으로 조절할 수 있도록 제작하였다. 양액공급은 작물관리 혹은 수확작업 시에는 재배베드부와 분리되고, 평상 재배 시에는 재배베드에 고정되도록 고안하였다.

Fig. 1. Schematic diagram of the bench moving system for strawberry culture.

 딸기 고설재배베드의 효율적인 높이는 딸기의 정식이나 수확 등과 같은 작업의 편이성을 고려하여 90 cm라고 보고하였다(Yu et al., 2005). 따라서 본 시스템은 의자에 앉아서 수확하고, 일어서서 관리작업을 수행하는 점을 고려하여 고설재배베드 시스템과 동일한 높이로 제작하였다.

 베드는 시중에서 판매되고 있는 것(1000×220×120, mm)을 구매하여 사용하였고, 베드 고정 및 이동을 위한 베드프레임은 길이방향 이송 및 측면 이송이 용이하도록 Fig. 2와 같이 제작하였다. 길이방향 이동에는 베드프레임의 양끝단에 V형 바퀴를 장착하여 재배베드부가 이동할 때 레일에서 이탈하지 않도록 하였고, 측면이송은 바퀴의 하단면과 프레임을 같은 높이로 하여 롤러에 의해 이송되도록 하였다. 베드프레임의 높이는 국내 재배품종의 60%이상을 점하고 있는 설향의 꽃줄기 길이인 화경장을 고려하여 300 mm이상으로 설계하였다(Table 1). 또한 양액공급 시 퇴수되는 양액은 베드 하단에 양액받이를 설치하여 재사용 할 수 있도록 하였다.

Fig. 2. Schematic diagram of cultivation bed.

Table 1. The flower height and plant length of strawberries

 재배베드부의 길이방향 이송은 AC모터(90W, SPG CO. Ltd., Korea)에 의해 작동되는 이송바의 작동에 따른다. 재배베드부의 이송은 이송바에 편심추 형식의 훅을 부착하여 베드프레임의 하단부를 걸어 이동하도록 하였다. 이동방식은 Fig. 3와 같이 이송바를 이동시키는 AC모터가 역방향으로 작동하여 훅이 후방으로 이동하고(Fig. 3(b)) 훅이 베드 프레임의 하단부를 지나면 AC모터가 정방향으로 회전하여 재배베드를 다음 위치로 이동(Fig. 3(c))시킨다. 이송바의 전후방이송 위치제어는 센서신호에 의하였다.

Fig. 3. The pull-in device for cultivation bed.

 재배베드부의 측면이송은 재배베드가 길이방향이송부에의해 측면이송부로 들어오면 관리 및 수확작업 후 수행한다. 측면이송은 길이방향 이송의 이송 작업과 달리 체인에 의해 연결된 롤러의 상단에서 이송되도록 하였다. 롤러의 작동은 AC모터를 이용하였고, 끝단에 근접센서를 설치하여 신호에 따라 작동을 멈추도록 하였다. 양액공급은 수확 및 관리 작업 시에는 양액공급이 중단되고, 작업을 수행하지않을 때에는 제어신호에 따라 공급될 수 있도록 하였다.

2.2 기초시험

 순환형 딸기 재배시스템을 설계하기 위하여 메인 프레임 상단에 설치되는 재배베드부 및 작물의 중량, 재배베드간의 적정거리, 양액공급 방법 및 재배베드부의 적정 이송방법 등에 관한 기초 시험을 수행하였다.

2.2.1 재배 베드 중량 측정

 딸기 등 과채류에 양액을 공급하는 방식은 1회 급액 시 배액률을 10~20%정도가 되도록 적절하게 조절하기 때문에(Jun et al., 2006), 딸기를 재배하는 상토는 양액을 공급할 때 높은 수분함량을 유지하게 된다. 따라서 딸기 재배에 많이 사용되는 상토가 가질 수 있는 최대함수량과 작물의 중량 등은 베드 프레임 및 이송부의 작동기를 설계하는데 중요한 요인이 된다. 상토의 최대수분함량을 구하기위해서는 1,000 × 220 × 120(mm) 크기의 베드에 상토를 5kg을 채우고 물을 충분히 관수한 다음 24시간이 경과한 후 중량을 측정하였다. 시험은 10개씩 5회 반복 하였다.

2.2.2 양액 공급방법

 딸기재배에 있어 양액을 공급하는 방법은 주로 토경재배의 경우 관주를 통하여 하루에 약 1~2회 충분히 급하여 재배하고, 고설재배의 경우 점점관수를 통하여 하루에 약 5~10회 가량 나누어 공급하며, 두상관수는 일반적으로 수행하지 않는다. 고설재배에 적용하는 양액공급방식은 점적관을 이용하여 관수하는 점적관수 방식과 Yoshida(2008)등이 고안한 방법인 베드 하부에 양액을 공급 후 상토가 양액을 흡수하는 방법, 저면관수 방법 등이 있다. 이러한 방법들을 순환형 재배장치에 적용했을 때 장단점 및 공급방법을 설계하였다.

2.2.3 재배조 적정 간격

 태양광 수광량의 확보는 작물재배에서 광합성량을 최대화하여 동화산물을 최대한 얻기 위해서는 반드시 필요하다. 관행 딸기 재배에서 베드간 거리는 수광량보다 작업자의 작업성 및 이동성을 고려하여 결정하였다. 하지만 이동통로를 최소화하고 재배주수를 최대화하기 위해 고안된 순환형 딸기 재배장치는 수광량을 최대로 하면서 딸기가 생육할 때 상호간의 간섭을 최소화 할 수 있는 재배베드간의 적정 거리 선정이 필요하다. 따라서 본 조사에서는 연중 태양의 고도를 조사하여 재배조의 거리에 따른 이웃한 베드에 미치는 그림자의 길이를 식 (1)을 이용하여 구하고 이를 이용하여 순환형 재배베드의 적정 거리를 결정하였다(Fig. 4).

Fig. 4. Schematic diagram for calculating the distance between cultivation beds.

 여기서, h: 지표에서 작물의 선단까지 거리(초장), L: 베드간 거리, θ: 태양의 고도, h’: 인근 작물에 비치는 그림자의 높이

 조사는 베드간 거리가 50 cm의 경우부터 관행 고설재배의 베드 거리인 130 cm까지 10 cm간격으로 조사하였고, 조건은 9시부터 16시까지 근접한 재배베드의 딸기 잎의 그림자에 의해 바닥면에서 2/3이상 태양광이 가려지지 않는 베드 거리로 설정하여 조사하였다.

2.3 순환형 재배장치 성능시험

2.3.1 재배조 이송 견인력

 순환형 재배베드시스템의 재배베드부를 이동시킬 때 소요되는 견인력의 측정은 시스템의 규모화 시작동기를 설계하는데 꼭 필요한 조건 중 하나이다. 따라서 재배시스템의 설계 기초자료로 사용하기 위하여 재배베드를 견인할 때 소요되는 견인력을 측정하여 마찰계수를 구하였다. 견인력 측정은 Fig. 5와 같이 재배베드에 상토를 채우고 충분히 관수하고 이동시키면서 소요되는 힘을 로드셀(SBA-100L, CAS Corp.)을 이용하여 측정하였다. 견인력 측정은 재배베드부가 1개일 때부터 5개일 경우까지 실시하였으며, 각 시험은 3회 반복하여 수행하였다. 베드 전체의 무게는 약 20 kg이고, 딸기가 자라고 있는 상황을 고려하여 10 kg 추를 올려놓고 측정하였다.

Fig. 5. The cultivation system and equipments for pull-in force measurement.

2.3.2 재배조 이송 동력

 이동형 재배베드시스템을 구동하기 위한 소요동력을 조사하기 위하여 베드를 1사이클 동안 회전시킬 때 소요되는 동력을 측정하였다. 측정방법은 초기위치인 10개의 베드를 정위치에 위치시킨 후, 시작기의 각 작동기를 작동시켜 이 때 필요한 소요동력 및 작동시간을 측정하였다. 측정순서는 Fig. 1의 A→D→B→C순으로 이동시키고 난 후, 마지막으로 양액 공급장치를 작동시켜 측정하였다. 측정은 전력계(HPM-300A, AD power co., LTD)를 이용하였다.

2.3.3 베드 이송 시 진동 측정

 딸기는 과육이 연약하여 재배과정에서 재배베드 등과 부딪혀 물리적인 손상이 발생할 가능성이 있어 딸기가 열린 상태에서 재배베드가 이동할 때 베드의 진동을 최소화해야 할 필요가 있다. 재배베드가 이동할 때 발생하는 진동을 측정하기 위하여 2축 자이로 센서(NT-ARSv1, NTREX Co., Korea)를 이용하여 진동각을 측정하였다. 측정방법은 재배베드 상단에 자이로 센서를 탑재하여 재배베드가 길이방향과 측면방향으로 이동할 때의 Roll각과 Pitch각의 변화를 측정하였다. 여기서 x축은 이송 평면상에서 진행방향이고 y축은 직각방향이다.

Ⅲ. 시험 결과

3.1 기초시험

3.1.1 재배 베드 중량 측정

 양액 관수량 및 재배베드 설계의 기초자료로 이용하기 위하여 시험에 사용된 베드에 담긴 상토 5 kg에 대한 포장용수량은 약 7.3 kg이고, 베드프레임의 중량 8 kg을 포함하여 재배베드부의 전체 중량은 약 20kg인 것으로 조사되었다. 따라서 재배베드부의 설계중량은 식 (2)를 통하여 계산되고, 이를 이용하여 작동기 및 프레임 설계를 해야 할 것으로 판단된다.

 여기서 Wtot : 베드 설계중량, Wbed : 베드 및 상토, 수분 중량 12.3 kg, Wgut : 추가되는 거터연결부 중량, Wcut : 추가되는 프레임연결부 중량, Wbas : 베드 프레임 및 거터 기본중량 8 kg, Wcrop : 작물중량 10kg, Nb : 베드개수 S: 안전율이다.

3.1.2 양액 공급방법

 베드 하부에 양액을 공급 후 상토가 양액을 흡수하는 방법으로 시험을 실시한 결과 상토에 양액이 많은 양이 공급되어 딸기 뿌리부의 습해로 인해 성장 장애 및 잿빛곰팡이병 등 병해에 약할 것으로 판단된다. 또한 양액을 공급할 때 마다 이송바를 가동하여 재배베드부를 이동시켜야 하므로 동력 등 시간과 비용이 소요된다. 저면관수의 경우 배지내의 양액농도가 상승하기 쉽기 때문에 염료집적으로 인하여 뿌리부에 장애로 인한 생육 및 수확량의 감소가 발생할 수 있다(Iwasaki et al., 2012). 이 방법은 주로 육묘할 때 런너의 뿌리부분에 수분을 공급하기 위하여 고안된 방법이다. 점적 테이프를 이용한 방법은 관행으로 양액을 공급하는 방법으로 일정 양액이 공급되고 이를 이용하고 나면 추가분을 공급하므로 딸기의 성장에 알맞을 것으로 판단된다. 하지만 재배베드가 이동하므로 이동할 때는 공급관이 분리되고 공급할 때는 결합되는 공급라인을 구성하여야 한다. 이를 위하여 Fig. 6과 같이 양액공급장치가 결합 될 때는 소켓에 의해 bush를 밀어 올리고 이에 의해 밸브가 상승하여 양액이 공급되고, 분리할 경우는 스프링에 의해 밸브가 닫혀 양액공급이 차단될 수 있도록 고안하였다. 또한 소켓의 a부분과 플러그의 b부분을 비율을 200%이상으로 설정하여 재배베드 이동 시 관성에 의해 약간의 이동이 있어도 양액공급이 가능하도록 하였다.

Fig. 6. Schematic diagram of the nutrient supply device.

3.1.3 재배조 적정 간격

 초장과 태양의 고도에 따른 작물간의 그림자 영향을 찾기 위하여 본 연구에서는 경기도 수원의 태양고도를 조사하여, 이 중 태양고도가 가장 낮은 시기인 1월과 12월에 대하여 그림자의 높이에 대해 조사 하였다. Fig. 7은 우리나라에서 대표적으로 재배되는 품종인 설향의 평균 초장인 34.1 cm에 대하여 조사한 결과를 나타낸 것이다. 태양의 고도가 가장 낮은 12월과 1월의 경우 베드간 거리가 60 cm이상이면 9시부터 16시까지 태양광이 초장의 2/3 이상 수광하는 것으로 조사되었다. 또한 설향의 경우 평균 화경장이 35 cm(표 1)이고, 베드 폭이 20 cm 인 것을 고려하면 베드간 거리는 50 cm이상이면 재배가 가능할 것으로 판단된다. 따라서 딸기의 화경장과 그림자의 길이 등을 고려하면 베드간 거리는 약 60 cm가 적당할 것으로 판단되며, 재배주수는 약 20~22 주/m2  일 것으로 조사되었다.

Fig. 7. The inverse number of shadow hight falling upon strawberry in next bed according to time at January and December.

3.2 순환형 재배장치 성능시험

3.2.1 재배조 이송 견인력

 재배베드부를 이송시키는 측면이송과 길이방향 이송 중 초기에 측면이송용 롤러 위에 올려져있는 재배베드부를 끌어서 이송용 휠을 가이드에 올려 이동하도록 구성 되어 있는 길이방향 이송 초기에 최대의 견인력이 요구된다. 길이방향 이송 시 초기 견인력 측정한 결과와 식 (3)을 이용하면 베드이송용 휠과 가이드 및 측면이송용 롤러와 재배조 간의 정마찰 계수와 동마찰 계수는 계산되어 진다. 그 결과 휠과 가이드간의 정마찰계수와 동마찰계수는 각각 0.063, 0.049이었고, 롤러와 재배조 사이는 각각 0.2, 0.17이었다.

 여기서, F: 견인력, μ:: 마찰계수, m: 재배베드부 무게, g: 중력가속도, Nh : 재배베드개수이다.

 순환형 재배베드 시스템의 작동기를 설계하기 위해서는 식 (4)와 같이 모든 베드를 견인 할 때의 총견인력과 식 (5)와 같이 작동기의 운전동력을 구하여 F’>Ftot 가 성립되면 작동기가 재배베드부를 구동할 수 있게 된다.

 여기서 Ftot : 총 견인력, Fm : 롤러위에서 재배조 견인력, Fg : 휠을 이용할 때의 견인력이다.

 여기서 F': 작동기에 의한 운전동력, Tm : 모터의 토크, i: 랙피니언 감속비, η1 : 감속변환효율, D: 피니언 직경, η2 : 랙피니언 변환효율 이다.

 5개의 재배베드부로 구성된 본 시스템에 대해 식(3)의 무게 대신 설계중량을 대입하였을 때 Fm 과 Fg 를 구하면 각각 88.2 N, 111.2 N 으로 총 필요 견인력은 199.4 N 으로 길이방향 이송장치에 부착될 작동기는 0.83 Nm이상의 토크를 가진 것이어야 할 것으로 판단된다.

3.2.2 재배조 이송동력

 시스템이 1사이클 작동할 때 소비전력의 변화의 예는 Fig. 8과 같다. 양쪽 측면 이동시 소비전력은 80 W, 길이방향 이동시의 소비전력은 최대 약 180W, 양액공급부를 결합하기 위한 소비전력은 약 120W이었다. 길이방향 이송 시 초기 소비전력이 높은 것은 측면 이송을 한 첫 번째 재배조가 휠에의한 구름이 아닌 롤러위에서 끌려서 이동하는 미끄럼 이동을 하기 때문으로 사료된다. 따라서 10개의 재배조 모두에 대해 수확이나 관리작업을 수행할 때 소요되는 소비전력량은 41.1 Wh로 계산 할 수 있다.

Fig. 8. Electricity consumption in 1 cycle.

3.2.3 베드 이송 시 진동 측정

 Fig. 9는 재배조가 측면방향과 길이방향 이동 시에 발생하는 롤각과 피치각을 나타낸 것이다. 측면이송의 경우 롤각은 –0.62°~0.68°이고, 피치각은 –3.79°~5.26°로 조사되었다. 측면이송은 작동기에 의해 회전하는 롤러의 상단에서 재배조가 이동하기 때문에 롤각 보다 피치각이 크게 나타났는 것으로 조사되었다. 길이방향 이송의 경우 롤각은 – 3.37°~3.36°, 피치각 –0.45°~0.49°로 조사되었다. 길이방향 이송은 재배조 이송랙에 의해 재배조가 이동하기 때문에 롤각이 피치각에 비하여 큰 것으로 조사되었다. 시작기는 딸기의 수확이나 관리작업 시에만 작동하기 때문에 조사된 진동각은 재배에 큰 영향을 미치지 않을 것으로 사료되나, 작물이 재배될 때 재배조의 진동에 따른 딸기 과실의 진동 등에 대한 연구가 필요 할 것으로 판단된다.

Fig. 9. The roll and pitch angle of the cultivation bed during the lateral and longitudinal moving.

Ⅳ. 결론

 딸기의 재배공간효율을 최대화 하여 수확량을 높이고 작업자가 앉아서 기다리면 베드가 움직여 작업자에게 다가오는 방식을 채택하여 노동력 절감 및 에너지 이용효율을 향상 할 수 있는 순환형 재배장치를 개발하고 그 성능시험을 실시한 결과는 다음과 같다.

 가. 시험에 사용된 베드가 탑재된 재배베드부의 전체 중량은 약 20 kg로 조사되었고, 식 (2)를 이용하여 재배베드부의 설계중량을 계산 후 작동기 및 프레임을 설계해야 할 것으로 판단된다.

 나. 양액공급은 인력의 조작없이 작동될 수 있도록 bush의 상하 이동으로 밸브를 개폐할 수 있도록 하였고, 소켓의 입구부분의 직경을 플러그보다 200%이상 크게 하여 재배조 이동 시 관성에의해 약간의 이동이 있어도 양액공급이 가능하도록 제작하였다.

 다. 설향의 경우 화경장을 고려하면 재배조 거리는 50 cm이면 재배가 가능할 것으로 사료되나, 화경장과 그림자의 길이를 고려하면 베드간 거리는 약 60 cm가 적당할 것으로 판단되며, 이때 재배주수는 약 20~22 주/m2  이다.

 라. 식 (1)과 식 (3)을 통해 계산된 재배베드부의 설계중량 및 견인력을 이용하여 길이방향 이송을 위한 작동기의 용량을 계산한 결과 0.83 Nm이상의 토크를 가진 것이어야 할 것으로 계산되었다.

 마. 시작기의 경우 10개의 재배조 모두에 대해 수확이나 관리작업을 수행할 경우 소요되는 소비전력량은 41.1 Wh인 것으로 조사되었다.

 바. 시작기는 딸기의 수확이나 관리작업 시에만 작동하기 때문에 조사된 진동각은 재배에 큰 영향을 미치지 않을 것으로 사료된다.

Ⅴ. 감사의 글

 본 연구는 농촌진흥청 공동연구사업(과제번호: PJ008591) 및 국립농업과학원 농업과학기술 연구개발사업(과제번호:PJ90712604)의 지원에 의해 이루어진 것임

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