Stability and Economic Evaluation of Agricultural Reservoirs with PV Systems

진수 손; 진영 이

doi:10.9798/KOSHAM.2023.23.5.123

Abstract

In Korea, the majority of agricultural reservoirs have been in use for over 50 years. Hence, there is an urgent need for maintenance and reinforcement to safeguard against potential collapses caused by unforeseen natural disasters. This study assessed the stability and economic viability of applying solar panels to these agricultural reservoir embankments. The Slope/w program was used to analyze the stability of embankments fitted with solar panels, considering reinforcement techniques and the load from the photovoltaic (PV) system. The economic feasibility of the PV system was determined using the RETScreen program, factoring in the unit cost of solar modules, lifespan of solar panels, and specific climatic conditions of the target reservoir. The findings indicate that the PV system and reinforcement techniques enhanced the stability of the reservoir embankments. Furthermore, economic benefits, such as production of electricity and reduction of greenhouse gas, can be expected.

Keywords: Agricultural Reservoir, PV Ssystem, Slope Sstability, Economic Eevaluation

요지

대한민국의 농업용 저수지는 대부분 축조된 지 50년 이상 되었다. 농업용 저수지는 예상치 못한 자연재해로 인해 붕괴되는 것을 막기위해 유지보수와 보강이 필요하다. 본 연구에서는 태양광 패널이 적용된 농업용 저수지 사면의 안정성과 경제성 평가를 수행하였다. 태양광 패널이 설치된 사면의 안정성은 Slope/w 프로그램을 사용하여 평가되었고 보강 방법과 태양광 발전 시스템의 부하를 고려하였다. 또한 RETScreen 프로그램을 사용하여 태양광 발전 시스템의 경제성 분석을 수행하였다. 경제성 분석에는 태양광 모듈의 단위 비용, 태양광 패널의 수명, 그리고 대상 저수지의 기후 환경이 고려되었다. 결과적으로, 태양광 시스템과 보강 방법의 적용으로 저수지 사면의 안정성이 향상되었다. 게다가 전기 생산 및 온실 가스 감축과 같은 경제적 이점을 기대할 수 있음을 이론적으로 확인하였다.

1. 서 론

국내 농업용 저수지의 대부분은 50년 이상 되었으며 사고를 방지하고 농업을 위한 안정적인 수량 공급을 위해 보수⋅보강이 필수적이다(Kim et al., 2020). 그러나 노후화된 농업용 저수지는 경제적 이유로 보수⋅보강이 이루어지지 않은 채 방치되고 있다. 또한 국토의 효율적인 활용 측면에서 저수지 사면의 넓은 부지가 활용되지 않고 유휴공간으로 방치되는 것은 비효율적이다. 이에 본 연구에서는 최근 각광받고있는 BIPV System (Building Integrated Photovoltaic System)에 착안하여 저수지 하류 사면에 태양광 발전 설비를 설치하는 것을 고려하였다.

이를 위해서는 노후 사면에 대한 보수⋅보강이 선행되어야 하며 이를 통해 노후 농업용 저수지의 유휴공간이 에너지 생산 공간으로 활용됨과 동시에 노후사면 보수⋅보강에 대한 경제성또한 기대할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 저수지 사면에 태양광 발전 설비가 적용되었을 때의 저수지 사면의 안정성 평가와 태양광 발전 설비의 경제성을 분석하고자 한다. 유휴공간을 활용한 태양광 발전설비의 경제성 분석에 관한 연구는 활발히 이뤄지고 있다(Park et al., 2011; Gholami et al., 2019; Alqahtani and Balta-Ozkan, 2021; Micheli, 2021; Qadourah, 2022). Alqahtani and Balta-Ozkan (2021)에서 사우디 아라비아 내 일부 지역에서 실시되고 있는 인프라 개발 및 사회 경제적 발전으로 인해 전력 수요가 급증하는 상황이며 주거 지역의 전력 소비가 전체 전력 생산의 약 50%를 차지한다. 대부분의 전력 생산은 화석연료을 통해 충당되고 있다. 해당 연구에서는 사우디아라비아의 주거 건물 유형과 사우디아라비아의 비전 2030정책의 일환인 네옴시티의 주거 건물 유형인 빌라, 아파트 등의 옥상에 태양광 패널을 설치하기 위해 최적의 태양광 패널 규모, 배터리 저장 용량 및 적적한 태양광 패널 방향을 평가하였다. 연구의 결과로 빌라, 아파트의 최적 PV 시스템의 크기는 각각 14.0 kW, 11.1 kW로 평가되었으며 최적 태양광 패널 방향은 28°의 기울기를 가진 남향으로 나타났다. 옥상에 설치된 태양광 시스템과 배터리 저장 장치를 통해 생산된 에너지를 통해 주거 지역의 전력 부하의 2/3에 해당하는 에너지를 제공할 수 있었다.

Micheli (2021)에서 태양광 발전 설비의 토지 사용 문제를 해결하기 위해 저수지의 수상면적을 활용한 수상 태양광 발전 설비는 지속적으로 증가하고 있으나 현장 데이터가 부족하여 수상 태양광 발전 설비의 경제성에 대한 논의가 필요하다고 한다. 해당 연구에서는 수상 태양광 발전 설비와 기존의 내륙 태양광 발전 설비를 모델링된 LCOE (Levelized Cost of Energy), 순 현재 가치(NPV)를 비교 평가하였다. 연구의 결과로 저수지의 수상면적 1%에 수상 태양광 패널의 적용시 스페인 태양광 발전 용량의 3 GW를 추가할 수 있으며 현재 스페인 전력 수요의 1.7%에 해당하는 전력을 생산할 수 있다고 한다.

Qadourah (2022)에서 건물의 옥상에 태양광 발전 설비를 적용하는 것을 통해 전력 수요 증가 문제를 줄이는 동시에 친환경적인 지속가능한 발전 시스템에 대한 수요를 충족시킬 수 있다고 한다. 해당 연구에서는 요르단의 다양한 기후 지역의 아파트 옥상에 태양광 발전 설비의 설치가 경제적으로 타당한지 검증하고, 태양광 시스템의 기대수명 동안의 잠재 발전량을 파악하고자 한다. 연구 결과로 태양광 패널은 태양광 시스템의 기대수명 동안 현재 필요한 전력의 40~87%, 향후 필요한 전력의 14~29%를 충당하였으며 예상 원금 회수기간은 약 3.4~5.6년으로 계산되었다. NPV는 모든 시나리오에서 긍정적으로 나타났으며 태양광 시스템의 기대 수명동안 약 42,890~77,455 $의 이익이 발생하였다. 이를 통해 옥상의 태양광 발전 설비를 적용하는 것은 경제적으로 타당한 것이 입증되었다.

Gholami et al. (2019)에서 구조물의 유휴공간에 태양광 발전 설비를 도입하는 BIPV (Building Intergrated Povolatics)의 경제성을 분석하기 위해 브라질, 이탈리아, 중국, 바레인의 4개의 사례 연구를 수행하였다. 연구 결과로 각 사례별로 사회적 탄소 비용, 송전 중 손실량, 송전 라인 구축 비용 및 재료 비용을 고려하였을 때 NPV (Net Present Value)가 1.403~2.710 $/wp까지 다양하게 나왔으나 모든 사례 연구에서 경제적인 타당성을 입증하였다.

Park et al. (2011)에서 교량에서의 경관 조명 에너지 소비를 절감하기위해 점등 시간의 축소가 아닌 태양광 발전 설비를 통해 저장된 에너지를 야간 경관 조명 에너지로 사용하고자 하는 방안을 고려하였다. 본 연구 결과로 각 교량별로 회수기간은 평균 10년 정도로 나타났으며 주간의 태양광 발전 에너지의 저장을 통한 야간 경관 조명 에너지의 저감으로 최대 106,940,000원의 이익이 창출되었다. 또한 경제성 분석 시뮬레이션 동안 태양광 시스템의 기대 수명 동안 투자비가 모두 회수되므로 교량의 태양광 발전 설비 적용은 타당하다.

해당 사례들은 사회간접자본 등의 유휴공간이 태양광 발전 설비 적용 공간으로서의 활용 가능성을 보여준다. 이에 따라 본 연구에서는 유휴공간을 태양광 발전 부지로 사용하는 BIPV 시스템과 같이 저수지 사면이라는 유휴공간이 태양광 발전 부지로 사용되어질 수 있는 가능성을 확인하고자 한다. 이에 본 연구에서는 노후화된 농업용 저수지 제방의 사면을 보강하기 위한 최적 공법을 선정하고 선정된 보강 방법에 따른 저수지 사면의 안정성 평가와 보강된 저수지 사면을 활용한 태양광 패널의 경제성을 분석하였다.

2. 연구 방법

본 연구에서는 보수⋅보강이 요구되는 코어형 필댐을 대상 구조물로 선정하였다. 대상 구조물로 선정된 저수지 사면의 유휴공간을 태양광 발전 부지로 사용하기 위해 적절한 보강 공법을 변수로 고려해 저수지 사면의 안정성 평가를 수행하였다. 해당 저수지의 사면 안정을 위한 보강 공법의 변수로는 말뚝, 앵커 공법이 고려되었다. 또한 태양광 발전 시스템의 적용으로 발생하는 하중을 계산하여 저수지 사면에 적용하였으며 저수지의 사면 안정 해석에는 캐나다 Geo-slope사에서 개발한 프로그램 패키지인 Geostudio 내 Slope/W 프로그램을 활용하였다. 또한 저수지 사면에 적용된 태양광 발전 시스템으로 도출되는 경제적 이익을 평가하였다. 태양광 발전 시스템의 경제성 분석에는 대상 구조물의 위치에 따른 기상현황, 태양광 발전설비의 구성요소 별 단가, 태양광 모듈의 발전량과 효율, 그리고 보수⋅보강에 필요한 초기비용 등을 고려하여 경제성 분석을 수행하였다. 태양광 발전 시스템의 적용을 통한 경제성 분석에는 캐나다 NRCan의 VANMET CEDRL에서 개발한 RETScreen 프로그램을 사용하였다.

2.1 저수지 사면 안정성 검토

2.1.1 Slop/W 프로그램

본 연구에는 Geostudio에서 제공하는 Slope/W 프로그램을 사용하여 사면의 안정성을 검토하였다. Slope/W는 지질 및 지반 엔지니어링 분야에서 사용되는 소프트웨어로서, 지반 안정성 및 지반 해석 문제를 모델링하고 해결하는 데 사용되어진다. Slope/W는 한계평형해석 프로그램이며 사용자가 입력한 지형, 지반 조건, 재료 특성, 경계 조건 및 하중 조건 등을 해석하여 안정성과 해석 결과를 제공한다. 본 연구에서 사면의 안정성 해석은 절편법 중 비숍의 간편법을 사용하였다(Bishop, 1955).

2.1.2 Bishop의 간편법

간극수압이 없을경우의 안정성에 대한 계수 방정식의 형태는 Eq. (1)과 같다.

(1)

Fs(m)=∑[c′b+WtanΦ−cbsinatanΦFs(m)]/ma∑Wsinα

Eq. (1)에서 F_s(m)은 사면의 안전율, c’은 흙의 점착력(kN/m²), W는 절편 흙의 전체중량(kN/m³), Φ는 흙의 내부 마찰각(°), a는 경사각(°), b는 절편 폭(m)을 나타낸다. F_s(m)은 Eq. (1)에 나타난 바와 같이 양변에 위치하고 있으며 해당 방정식은 m_a를 제외하고 안정성 방정식의 일반계수와 다르지 않다. m_a는 Eq. (2)와 같이 정의 된다.

(2)

ma=cosα+sinαtanΦFs(m)

비숍의 간편법을 활용한 안정성 해석을 시작하기 위해서는 F_s(m)에 대한 가정이 선행되어야 하며 Slope/W 프로그램의 경우 초기 가정치는 일반적인 안전 계수가 사용된다. F_s(m)의 초기 가정치는 m_a를 통해 새로운 F_s(m)이 계산되고 F_s(m)이 이전 F_s(m)의 허용 오차 내에 있을 때까지 반복하여 최종 F_s(m)이 결정된다.

2.1.3 목표 저수지 사면 제원 및 토질 특성

Slope/W 프로그램을 사용하여 태양광 패널이 적용될 가상의 노후 저수지를 Fig. 1과 같이 모델링하였다. 제방 표고는 10 m, 댐마루 길이는 44 m, 댐마루 폭은 4 m이다. 저수지 제방은 Clay core, shell, Foundation으로 이뤄져 있으며 해석에 사용된 토질의 특성은 Table 1과 같다. 대상 저수지 사면의 보수⋅보강 전 안전율은 0.964로 계산되었으며 사면 안정을 위한 보수⋅보강이 필요해 보인다. 사면의 파괴 양상은 사면 저부 파괴가 주된 파괴 양상으로 나타났으며 이는 지반의 연약한 토질의 영향으로 판단된다.

Fig. 1

Specification of Reservoir Embankment

Table 1

Properties of Soil Materials

Geo-materials	Unit weight (kN/m³)	Cohesion (kPa)	Friction angle (°)
Clay core	20	5	20
Shell	1	10	32
foundation	18	0	26

2.1.4 저수지 사면 보강 공법

노후 저수지의 사면 보강 공법에는 지반조건에 따라 균일한 보강 효과를 기대할 수 있는 말뚝, 앵커 공법을 고려하였다(Song et al., 2022). 태양광 시스템이 적용된 하류 사면은 Fig. 2(a)를 통해 나타내었다. 보강된 사면의 안정성 검토는 태양광 시스템 하중을 고려하여 수행하였다. 태양광 모듈, 인버터 등의하중을 고려하였을 때 5 kN/m³의 등분포 하중이 보강된 사면에 재하되었다. 앵커공법의 경우 댐마루에서 약 2 m떨어진 지점에서부터 사면 끝까지 약 3 m간격으로 길이 6 m의 앵커를 관입하여 보강하였다. 사용된 앵커의 pull-out resistance와 tensile capacity는 각각 300 kPa, 2,000 kN이며 앵커의 부착 길이는 3 m, 부착직경은 0.3 m이다. 말뚝 공법의 경우 하류 사면의 중심과 중심으로부터 직선길이 약 4.47 m 떨어진 지점에 3개의 말뚝을 수직연직 방향으로 관입하여 사면을 보강하였다. 말뚝의 전단강도는 200 kN이며 길이는 7 m의 말뚝이 사용되었다. 저수지 사면 보강에 사용된 보강재의 물성은 Table 2를 통해 나타내었다. 앵커보강법과 말뚝보강법은 Figs. 2(b), (c)를 통해 나타내었다.

Table 2

Properties of Reinforcement

Reinforcement type	Pull-out resistence	Tensile capacity	Shear force
Anchor	300 kPa	2,000 kN	-
Pile	-	-	200 kN

Fig. 2

Details of Reinforcement and Load

2.2 태양광 발전 설비 경제성 분석

2.2.1 RETScreen Model

본 연구에는 캐나다 NRCan의 VANMET CEDRL에서 보급하는 RETScreen 프로그램을 사용하여 농업용 저수지의 유휴공간인 사면을 활용한 태양광 발전 설비의 경제성을 분석하였다. 본 연구의 경제성 분석에 사용한 RETScreen은 해당 지역의 기상자료, 태양광 발전 설비의 특성, 투자비용 등의 요인을 고려하여 태양광 발전량 및 경제성 평가를 수행할 수 있다. 본 연구에서는 태양광 모듈의 수명을 고려하여 20년 동안의 태양광 발전량을 RETScreen을 활용하여 분석하였다.

2.2.2 대상지역의 기상현황

농업용 저수지가 위치한 지역의 기상현황은 RETScreen 프로그램과 연동된 기후 데이터베이스를 활용하였으며 해당 자료는 Table 3을 통해 나타내었다. 농업용 저수지는 위도 35.5 경도 129.3에 위치해 있으며 해당 지역의 연간 평균 기온은 14.2 °C, 상대습도는 63.0%, 일일 태양복사량은 4.00 kWh/m²으로 측정되었다. RETScreen에 입력된 기상 현황은 국내의 수자원이 부족한 농경지 근방의 기후 자료이다.

Table 3

Weather Status

Month	Temperature (°C)	Relative Humidity (%)	Precipitation (mm)	Daily Solar Radiation (kWh/m²/day)	Atmospheric Pressure (kPa)
Jan	2.0	45.6	39.37	2.90	100.8
Feb	3.8	47.6	48.44	3.55	100.7
Mar	7.8	55.1	70.99	4.22	100.4
Apr	13.6	60.0	90.30	5.26	100.1
May	17.8	66.6	116.56	5.57	99.8
June	21.3	73.4	161.70	5.05	99.5
July	24.9	78.6	231.26	4.40	99.4
Aug	25.9	77.7	205.84	4.31	99.5
Sep	21.5	75.5	144.60	3.72	100.0
Oct	16.2	66.6	54.87	3.56	100.5
Nov	10.2	58.9	51.90	2.83	100.7
Dec	4.3	48.9	31.62	2.64	100.9
Average	14.2	63.0	1,247.45	4.00	100.2

2.2.3 에너지모델 선정

농업용 저수지의 사면에 적용될 태양광 패널의 제원은 Table 4에 나타내었다. 각각의 태양광 패널은 경제성 분석을 위해 가정한 초기 투자 비용을 일치시키기 위해 태양광 패널 유닛의 수를 조절하였으며 분석에 사용된 인버터는 각 태양광 패널 모두 동일한 인버터를 사용하였다. 태양광 패널은 A사, B사의 모델이 사용되었으며 A사, B사의 모듈 발전량은 각각 170 W (A_170), 300 W (B_300)의 단결정 모듈이 사용되었으며 태양광 발전 중 발생할 수 있는 손실율은 10%로 고려되었다.

Table 4

Theoretical Properties of Solar Panels

	A_170	B_300
PV nominal power (W)	170	300
Number of panel	6,000	3,333
Total power generation Capacity (kW)	1,020	1,000
Power generation Efficiency (%)	13.30	15.46
Module Area (m²)	7,669	5,821
Slope (%)	35	35
Inverter nominal power (W)	1,000	1,000
Inverter efficiency (%)	95	95

2.2.4 재정모델 선정

Table 5에 나타난 바와 같이 재정모델의 할인율은 RETScreen에서 제공하는 할인율 9%을 사용하였으며, SOC의 유휴공간을 활용한 태양광 발전 설비의 평가기간은 태양광 모듈의 평균수명을 고려해 20년으로 선정하였다. 태양광 발전 설비로 생산되는 전력의 역송전 단가는 한국전력공사에서 제공하는 SMP의 단가인 161.98 (원/kwh)를 고려하였다. 태양광 발전 설비의 비용은 Table 6에 나타내었다. 또한 노후화된 저수지의 사면의 보강 비용에는 150,000 USD로 측정되어 RETScreen의 재정모델에 포함되었다. 태양광 설비의 운영 유지 비용은 미국전력연구원에서 추정한 1 MW 이하의 태양광 발전 설비에 대한 전체 설비 비용을 고려하였다. 농업용 저수지의 유휴공간인 하류 사면을 활용한 태양광 발전 설비의 유지관리비는 전체 비용의 1.7%로 설정하였다. 태양광 발전 설비의 적용으로 저감되는 온실가스로 발생하는 수익은 2022년 12월 기준 국내 온실가스 배출권 시세인 35,100 원/t을 기준으로 하여 계산되었다.

Table 5

Financial Parameters of RETScreen

Inflation rate	Discount rate	Reinvestment return	lifespan of solar modules
2%	9%	9%	20 years

Table 6

Financial Parameters of PV System

	A_170	B_300
Solar panel	110 USD	200 USD
Number of solar panel	6,000	3,333
Inverter 400 w	55 USD	55 USD
controller	50 USD	50 USD
Total	650,000 USD	650,000 USD

3. 해석 및 분석 결과

본 연구에서는 사면 안정 보강 공법 중 말뚝, 앵커 공법이 변수로 고려되어 농업용 저수지의 사면 안정을 평가하였다. 각 보강 공법 별 결과는 다음과 같다. 사면 안정의 해석에는 변수 모두 비숍법을 고려 하였으며 보강법 변수를 제외하고는 모두 동일한 조건에서 해석이 수행되었다.

3.1 사면 안정성 검토 결과

3.1.1 보강 전 하중 재하 시 해석 결과

Fig. 3에 나타난 바와 같이 태양광 발전 시스템의 적용으로 발생하는 하중을 사면에 재하하였을 때의 사면의 안전율은 Table 7에 나타난 바와 같이 slip number 7에서 가장 취약한 안전율 1.070이 계산되었으며 파괴 시 반경 R은 19.26으로 계산되었다. 태양광 발전 시스템의 적용으로 발생하는 하중을 재하하였을 때의 안전율이 보수⋅보강과 하중 재하 전의 안전율인 0.964보다 높게 나타났다. 이러한 결과는 태양광 발전 설비의 하중으로 인해 마찰력이 증가하여 하중 재하 전 보다 더 높은 안전율이 측정된 것으로 보인다. 하지만 하중의 재하로 인해 증가한 안전율인 1.070은 KSD 11 70 05의 연약지반 쌓기비탈면 안정해석 시의 기준안전율인 1.3보다 낮은 값임으로 보수⋅보강이 필요하다.

Fig. 3

Failure Mode and Safety Factor of PV System Loaded Slope

Table 7

Results of PV System Loaded Slope

Slip number	Safety factor	X center (m)	Y center (m)	Radious (m)
6	1.129	39.51	20.44	21.77
7	1.070	38.41	17.24	19.26
8	1.091	37.55	14.77	17.536
9	1.137	36.87	12.79	16.317
18	1.101	39.09	17.66	20.057
19	1.129	38.24	15.07	18.288
73	1.133	39.47	17.60	19.14
74	1.084	38.55	15.18	17.376
75	1.103	37.80	13.24	16.121
85	1.123	39.22	15.48	18.102

3.1.2 앵커 보강법 해석 결과

사면 안정을 위한 보강 공법 중 앵커 보강법을 적용하였을 때의 사면 안정성 해석 결과는 다음과 같다. Table 8에 나타난 바와 같이 slip number 54에서 가장 취약한 안전율 1.304가 계산되었으며 이때의 결과를 Fig. 4를 통해 나타내었다. Fig. 4에 나타난 바와 같이 주된 파괴 양상은 사면 저부 파괴로 나타났으며 이러한 결과는 목적 저수지의 기반이 비교적 연약한 토지로 구성되어 있어 나타난 것으로 보인다. 앵커 공법을 사면 보강 공법으로 고려하였을 때 가장 취약한 경우 안전율이 1.304로 기준안전율 보다 높게 계산되었으며 사면 파괴시의 반경 R도 18.35 m로 나타났다. 이러한 결과를 통해 해당 목적 저수지 사면의 보강 공법에 앵커 공법을 적용하는 것은 적절하다고 판단된다.

Table 8

Results of Anchor Reinforced Slope

Slip number	Safety factor	X center (m)	Y center (m)	Radious (m)
32	1.344	37.71	11.36	16.88
33	13.50	37.23	9.78	16.26
43	13.06	38.43	11.48	17.61
53	13.37	39.72	13.59	19.28
54	1.304	39.17	11.59	18.35
64	1.355	40.46	13.80	20.04
65	1.333	39.90	11.71	19.10
110	1.305	38.75	10.36	16.66
121	1.321	39.47	10.40	17.38
132	1.344	40.20	10.44	18.11

Fig. 4

Failure Mode and Safety Factor of Anchor Reinforced Slope

3.1.3 말뚝 보강법 해석 결과

보강 공법 변수 중 말뚝 보강 공법을 적용한 사면의 안정성 해석 결과는 Table 9와 Fig. 5를 통해 나타내었다. 말뚝 보강 공법은 최적의 성능을 도출해내기 위해 사면의 중앙부 상단을 보강하였다(Ito et al., 1979; Hassiotis et al., 1997). Table 9에 나타난 바와 같이 slip number 43에서 가장 취약한 안전율인 1.350이 계산되었다. 이때의 사면 파괴시의 반경 R은 17.61 m로 나타났으며 말뚝 공법으로 보강한 사면의 경우 앵커 보강법과 유사한 파괴 양상인 사면 저부 파괴가 나타났다. Tables 8, 9를 통해 말뚝 보강법의 경우 앵커 보강법을 적용하였을 때 보다 안전율이 더 높게 나타난 것을 확인할 수 있으며 이를 통해 말뚝공법이 앵커 공법보다 사면 안정에 더 효과적임을 이론적으로 확인할 수 있었다.

Table 9

Results of Pile Reinforced Slope

Slip number	Safety factor	X center (m)	Y center (m)	Radious (m)
8	1.358	37.55	14.77	17.53
11	1.366	35.80	9.71	14.82
21	1.367	37.00	11.24	16.15
22	1.354	36.51	9.75	15.53
32	1.359	37.71	11.36	16.88
33	1.381	37.23	9.78	16.25
43	1.350	38.43	11.38	17.61
53	1.363	39.17	11.59	18.35
99	1.374	38.04	10.32	15.94
110	1.368	38.75	10.36	16.66

Fig. 5

Failure Mode and Safety Factor of Pile Reinforced Slope

3.2 경제성 분석 결과

3.2.1 A_170 적용 태양광 발전 설비

사면을 보강한 뒤 태양광 발전 설비를 적용하였을 때 A_170을 사용한 태양광 발전 설비의 연간 전력 생산량은 약 1,371,772 kWh가 발생하였으며 이를 역송전하였을 때 연간 전력 수출 수익은 약 68,589 USD가 발생하였다. 또한 태양광 발전 설비의 적용으로 저감되는 온실가스는 연간 731 tCO₂로 측정되었으며 2022년 12월 기준 국내 온실가스 배출권 시세인 약 30 USD/t을 고려하였을 때 연간 온실가스 저감 수익은 약 21,926 USD가 발생하였다. 노후화 저수지의 사면 안정에 필요한 비용과 태양광 발전 설비의 적용에 필요한 비용을 모두 고려하였을 때 초기 자본의 단순 상환에는 약 10.8년이 소요되게 된다. Table 10에 나타난 바와 같이 프로그램의 종료시의 누적 수익은 약 496,551 USD가 발생하였다. A_170를 활용한 태양광 발전 설비의 자본 흐름 누적도는 Fig. 6(a)를 통해 나타내었다.

Table 10

Money Flow of PV System

A_170			B_300
Year	Annual Revenue (USD)	Accumulation (USD)	Year	Annual Revenue (USD)	Accumulation (USD)
0	-822,050	-822,050	0	-822,050	-822,050
1	55,293	-766,757	1	49,387	-772,663
2	56,399	-710,358	2	50,375	-722,288
3	57,526	-652,832	3	51,382	-670,906
4	58,677	-594,154	4	52,410	-618,496
5	59,850	-534,304	5	53,458	-565,038
6	61,047	-473,256	6	54,528	-510,510
7	62,268	-410,988	7	55,618	-454,892
8	63,513	-347,474	8	56,730	-398,162
9	64,784	-282,689	9	57,865	-340,297
10	66,079	-216,609	10	59,022	-281,275
11	42,534	-174,075	11	35,335	-245,940
12	68,749	-105,326	12	61,407	-184,533
13	70,124	-35,201	13	62,635	-121,898
14	71,527	36,325	14	63,888	-58,010
15	72,957	109,283	15	65,166	7,156
16	74,416	183,699	16	66,469	73,625
17	75,905	259,604	17	67,798	141,423
18	77,423	337,028	18	69,154	210,577
19	78,971	415,999	19	70,537	281,114
20	80,551	496,550	20	71,948	353,062

Fig. 6

Capital Flow Accumulation Curves of PV System

3.2.2 B_300 적용 태양광 발전 설비

B_300을 적용한 태양광 발전 설비의 연간 전력 생산량은 약 1,210,387 kWh가 발생하였으며 이에 대한 수익은 약 60,519 USD가 발생하였다. 태양광 발전 설비의 적용으로 저감되는 연간 온실가스는 약 645 tCO₂이며 예상되는 온실가스 저감 수익은 약 19,347 USD로 나타났다. B_300의 적용시 초기 자본의 단순 상환에는 12.1년이 소요되며 태양광 발전 프로젝트의 종료 시 누적 수익은 약 353.074 USD가 발생하였다. B_300를 적용한 태양광 발전 설비의 경우 A_170를 활용하였을 때와 동일한 총 발전량인 약 1,000 kW이지만 태양광 발전 설비에 필요한 부지는 약 1,848 m² 적게 사용하게 되었다. 태양광 발전 설비에 필요한 부지가 한정적인 경우에는 공간대비 발전효율이 좋은 B_300을 사용하는 것이 타당하다. B_300을 활용한 태양광 발전 설비의 자본 흐름 누적도는 Fig. 6(b)를 통해 나타내었다.

4. 결 론

본 연구에서는 보수⋅보강이 필요한 노후 농업용 저수지의 사면을 보강하기 위해 최적 공법을 선정하고 선정된 보강 공법에 따른 저수지 사면의 안정성을 평가하였다. 또한 보강된 저수지 사면을 활용한 태양광 패널의 경제성을 분석하여 태양광 발전에 필요한 부지로서 저수지 사면의 활용 가능성을 확인하고자 하였다. 본 연구를 통해 도출된 결론은 다음과 같다.

1) 노후화 저수지 사면에 태양광 패널을 적용하기 위해 태양광 패널 적용성을 검토하였다. 목표 노후 저수지 사면의 안전율은 0.964로 나타났으며 태양광 발전 설비를 적용하였을 때 사면 안정성이 증가하여 1.070의 안전율으로 계산되었다. 이러한 결과는 태양광 발전 설비의 적용으로 발생하는 하중이 저수지 사면에 고르게 재하되어 사면 토질의 마찰력을 증가시켰기 때문이다. 이러한 결과를 통해 저수지 사면에 태양광 발전 설비를 적용하였을 때 사면의 안정성 증가를 기대할 수 있다.
2) 노후 저수지 사면에 태양광 발전 설비를 적용하기 위한 사면 보강 공법으로 말뚝 보강 공법과 앵커 보강 공법을 적용하였다. 사면 안정 보강 공법과 태양광 발전 설비 하중을 적용하였을 때 앵커 보강법과 말뚝 보강법의 안전율은 각각 1.304와 1.350으로 나타났다. 사면 보강 공법과 태양광 발전 설비를 적용한 사면의 안전율은 KSD 11 70 05에 명시된 기준안전율 1.3 보다 높은 값으로 나타났다. 이를 통해 저수지 사면에 보강 공법과 태양광 발전 설비를 적용함으로써 저수지 사면의 안정성이 증가하는 것을 해석적으로 확인할 수 있었다.
3) 태양광 발전 시스템을 노후 저수지에 적용함으로써 노후 저수지의 사면 안정에 소요되는 보수⋅보강 비용이 상쇄 될 수 있다. 초기 자본의 회수에는 약 10.8~12.1년이 소요될 것으로 예상되며 태양광 발전 설비의 적용으로 연간 1,210,387~1,371,772 kWh의 전력 생산이 가능할 것으로 판단된다. 또한 연간 약 645~731 tCO₂의 온실가스가 저감되는 효과가 발생하였다. 이러한 전력생산과 온실가스 저감으로 인해 태양광 발전 프로젝트 종료 시에 약 353,062~496,550 USD의 이익이 발생할 것으로 보인다.
4) 국토의 효율적인 활용 측면에서 유휴공간으로 방치되던 저수지의 사면을 태양광 발전 부지로 사용함으로써 국토의 효율적인 활용 또한 가능하다. 태양광 발전 설비를 저수지 사면에 적용하였을 때 저수지 사면 안정성 증가, 보수⋅보강에 필요한 초기 자본의 회수, 전력 생산, 온실가스 저감을 기대할 수 있다. BIPV 시스템에서 착안되어진 저수지 사면의 태양광 발전 설비 적용은 타당한 것으로 보이며 저수지 사면뿐만 아니라 더 다양한 SOC의 유휴공간 활용을 위한 후속 연구가 필요하다.