많은 국가들이 CO2 배출 감축 목표를 달성하기 위해 풍력 에너지 확대 계획을 수립하고 있다. 그러나 제한된 육상 가용 면적과 안정적인 풍황 조건에 대한 요구는 해상풍력 발전 기술의 발전을 촉진시켰고, 이는 대형 터빈의 개발을 가능하게 하였다. 동시에 해상환경에서는 터빈의 설계, 설치, 운영 및 유지관리와 관련된 새로운 기술적 난제가 수반된다. 해상환경에 대한 개요를 시작으로, 풍력 및 파랑의 동역학, 풍력터빈의 공기역학과 유체역학적 하중, 해상작업, 그리고 풍력단지의 배치까지 폭넓게 다루고 있다. 각 장에는 실무 적용 예제와 이해를 돕는 연습 문제가 포함되어 있으므로, 환경과학 및 공학 분야의 대학원생과 연구자뿐만 아니라 풍력 에너지 산업에 종사하는 실무자에게도 유용한 참고서로 활용될 수 있다.

저자 : Nielsen F. G. Finn Gunnar Nielsen 교수는 베르겐대학교(University of Bergen) 지구물리학연구소(Geophysical Institute) 소속으로, 2023년까지 베르겐 해상풍력센터(Bergen Offshore Wind Centre)의 소장을 역임하며, 해상풍력 관련 연구를 이끌어 왔다. Nielsen 교수는 40년 넘게 산업 연구에 종사해 왔으며, 2002년부터는 세계 최초의 실규모 부유식 풍력터빈인 Hywind 개념 개발을 위한 연구 프로젝트를 주도하였다. 역자 : 지광습 번역자 지광습 교수는 2004년부터 고려대학교 건축사회환경공학부에 재직 중이며, 2013년부터 대한토목학회 해상풍력해양플랜트연구위원회 위원장으로 활동하고 있다. 2025년에는 고정식 해상풍력 지지구조 가이드라인을 총괄 집필하였고, 최근에는 해상풍력, 디지털 전환, 콘크리트 공학을 주요 연구 분야로 삼고 있다. 2023년부터는 국내 건설기준의 디지털 전환 프로젝트를 총괄하고 있으며, 한국공학한림원 일반회원으로 활동 중이다.

CHAPTER 01. 해상풍력 개론 1.1 해상풍력 사업의 필요성 1.2 본서의 구성 1.3 설계에 필요한 절차 1.4 풍력터빈의 배치 CHAPTER 02. 해상환경 2.1 바람 2.2 해양파랑 2.3 파랑 통계 CHAPTER 03. 풍력에너지와 풍하중 3.1 Betz 이론 3.2 후류 회전 효과 3.3 2차원 양력면 3.4 블레이드요소 운동량 기법 3.5 항력 기반 장치 3.6 비정상 효과 3.7 와류 기법 3.8 수평축 풍력터빈의 특성 3.9 가변 속도 및 블레이드 피치 제어를 적용한 수평축 풍력터빈의 제어 CHAPTER 04. 해상풍력터빈 지지구조 4.1 서론 4.2 해상풍력터빈의 구성 요소 4.3 고정식 지지구조 4.4 부유식 지지구조 CHAPTER 05. 선형 동역학 5.1 단자유도 시스템: 자유 진동 5.2 단자유도 시스템: 강제 진동 5.3 다자유도 시스템 5.4 연속시스템(Continuous System) CHAPTER 06. 고정식 지지구조에 작용하는 파랑하중 6.1 소형체에 작용하는 파랑하중 계산의 일반 원칙 6.2 세장한 구조물에 작용하는 파랑하중 6.3 세장비가 작은 연직 실린더에 작용하는 파랑하중: MacCamy and Fuchs 이론 6.4 임의 형상의 구조물 6.5 급경사 파랑의 영향 6.6 모드 하중 6.7 해저 퇴적물의 모델링 CHAPTER 07. 부유식 지지구조 7.1 파랑에 의한 운동: 운동 방정식 7.2 질량 행렬 7.3 감쇠 7.4 파랑 가진력 7.5 복원력 7.6 계류선 7.7 저주파 바람에 의해 유도되는 운동 7.8 부유식 풍력터빈의 제어 이슈 CHAPTER 08. 해상작업 8.1 설치 작업 8.2 접근 8.3 작업가능 기상조건 8.4 인양 작업의 동역학 8.5 체결 작업 중 충격 및 스내치 하중의 통계 분석 CHAPTER 09. 해상풍력단지 9.1 전력 생산 단가 9.2 풍력단지 배치 9.3 후류 APPENDIX I. 2차원 경계층 방정식 APPENDIX II. Theodorsen 함수의 점근 거동 APPENDIX III. 라플라스 변환 APPENDIX IV. 폰툰의 부가 질량 행렬에서 회전 항 APPENDIX V. 시간 영역의 노치 필터 참고문헌 Index

[역자 머리말]
사회가 발전함에 따라 인력, 가축, 화석연료, 원자력 등 에너지원도 다양한 형태로 진화를 거듭하고 있으며, 에너지는 고래부터 문명 발전에 필수적인 요소였다. 특히, 지난 20세기에는 석탄, 석유, 가스로 대표되는 화석연료가 거의 모든 산업분야에서 필수적인 에너지 요소로 자리잡고 있었으며, 21세기에도 매우 큰 비율의 에너지 포트폴리오를 차지하고 있다. 선진국을 시발로 하여 20세기 말부터 지구온난화를 가속화 시킬 수 있는 화석연료를 사용하는 에너지 파라다임에서 재생이 가능한 에너지원으로 전환하는 움직임이 전세계적으로 추진되고 있다.
자연에서 직접 에너지를 얻을 수 있는 방법으로 태양광, 수력, 풍력 등이 고려되고 있다. 태양광은 가장 직관적으로 접근할 수 있지만, 에너지 집적도가 낮아서 적정수준의 에너지를 확보하기 위해서는 대규모 육상 부지가 필수적이다. 그러므로 국토가 좁은 우리나라의 경우 태양광 발전단지를 대규모로 확대하기는 현실적인 제약이 있다. 그에 반해 풍력은 에너지 집적도가 상대적으로 높은 편이다. 최근에서는 15MW의 정격 출력의 터빈이 설치되고 있다. 육상의 경우는 바람 자원이 충분히 확보되는 접근이 용이한 지역은 매우 제한적이므로, 우리나라는 해상에 풍력단지를 개발하는 것을 적극적으로 검토하고 있다.
목포를 중심으로 수심이 낮은 서남해 지역에는 고정식으로 지지되는 해상풍력 단지를 개발중이며, 수심이 깊은 울산 앞바다에는 부유식으로 지지되는 해상풍력 단지를 개발중이다. 해상풍력 단지를 개발하기 위해서는 풍력터빈의 발전 시스템에 대한 개요를 이해하고 있어야 하며, 이 터빈을 해상에서 지지해야 하는 지지구조의 특성을 정확히 이해하고 있어야 한다. 고정식 지지구조의 경우, 기초를 해저에 고정하고 지속적으로 동적인 해양 외력과 상호작용하게 된다. 반면 부유식 지지구조는 부력을 이용해서 해상에 떠 있는 형태로 터빈을 지지하고 위치를 계류선으로 확보한다. 즉, 해상풍력 사업을 위한 지지구조를 설계하거나 분석하는 작업은 구조동역학, 해저지반공학, 해양공학, 공기역학, 계류동역학 등에 대한 이해가 필요하며, 이들을 유기적으로 연계할 수 있어야 한다. 더욱이 운송과 설치까지 고려한다면, 해상 중장비에 대한 이해도 필수적인 부분이 된다.
지금까지 우리나라의 건설산업은 육상(on-shore)에 집중되어 있었다. 해상공사로 항만, 해상 교량 등의 예를 들 수도 있겠지만, 이는 육상과 인접에 있거나 가까운 니어쇼어 건설사업(near-shore construction project)으로 분류되어야 한다. 해상풍력을 설치하는 위치는 충분한 바람자원이 확보되어야 하고, 해상교통이 없는 지역이므로 육상과는 멀리 떨어진 위치에서 수행되는 오프쇼어(off-shore) 건설사업이다. 우리나라에는 이러한 오프쇼어 건설사업은 신규로 대두된 분유이다. 우전국 건설관련 학과의 커리큘럼과 연구내용은 대부분 육상이나 니어쇼어에 집중되어 있는 현실이다.
해상풍력에 대한 우리나라의 기술적인 역량을 구축하는데 일조하기 위해, 2013년도에 지금은 은퇴하신 건국대학교 김기두 교수님과 함께 대한토목학회 내에 해상풍력해양플랜트위원회를 설립하였다. 본 역자는 2018년부터 지금까지 이 위원회의 위원장으로 활동을 하고 있다. 앞서 언급했듯이, 전세계적인 에너지 전환 파라다임에 따라 우리나라에서 갑자기 오프쇼어 해상풍력 시장이 형성되었지만 기술적인 역량이 아직 구축되어 있지 않은 점을 항상 아쉽게 생각하고 있었다. 기존과 같이 구조, 지반, 해양으로 분리한 접근법으로는 해상풍력 건설사업을 이해하기는 매우 어려우며, 이에 대한 통섭적인 시각을 제공해야 할 필요성이 있다는 것은 이 분야의 대부분 연구자가 공감하는 사항이다.
해상풍력 선진국인 유럽지역에서도 해상풍력은 상대적으로 신규로 대두된 분야이므로, 이에 대해 잘 정리된 개론 교재를 찾기는 쉽지 않았다. 그러던 중 캠브리지 출판사에서 2024년 발간된 이 책은 해상풍력 지지구조와 관련된 주요 분야를 유기적으로 연결하여 기술한 거의 유일한 교재라고 판단된다. 이 책의 저자인 University of Bergen의 Finn Gunnar Nielsen 교수는 해양구조물 분야에서 거의 40년 가까운 연구경험을 가지고 있으며, 특히, Hywind 프로젝트의 R&D 책임자이다. 본 역자는 이 책을 해상풍력에 대해 분야를 망라한 통섭적인 시각을 제공하기에 충분한 해상풍력 공학 개론서라고 평가한다. 대학원 강의 교재로 사용하거나, 특정 분야의 육상건설에 경험이 풍부한 엔지니어가 해상풍력 분야에 진입할 때도 유용한 개론서로 사용할 수 있을 것으로 생각한다.
이 책을 우리말 번역하는 것을 흔쾌히 동의해준 Nielsen 교수에게 감사드리며, 번역작업을 꼼꼼하게 도와준 내 연구실의 김찬혁, 김병옥 학생에게 감사를 드린다. 끝으로, 이 책의 번역 판권을 계약해주고 표지 그림을 제작해준 ㈜안암컨설팅 조승연 대표에게도 감사한다.