الأداء العازل للسائل الممغنط بالنانو لتطوير محول القدرة المغمور بالزيت

أهمية التأكد من أداء للسائل الممغنط بالنانو في محولات القدرة

يعد محول الطاقة هو قلب نظام الطاقة الكهربائية، ونظراً للتطبيقات الواسعة في مستويات التوليد والنقل والتوزيع، كما يعتمد التشغيل الموثوق والفعال لمحول “الطاقة الكهربائية” بشكل كبير على خصائص العزل الخاصة به، حيث إنه يشكل الجزء الأكبر من فشل المحول، لذلك يلعب الزيت العازل دوراً مهماً في العمر الافتراضي لمحول الطاقة لأنه يؤدي كلاً من العزل وكذلك وظيفة المبرد.

كما تتعرض محولات القدرة الكهربائية خلال عمرها التشغيلي لمجموعة متنوعة من الضغوط، مثل الضغوط الميكانيكية والحرارية والكهربائية والبيئية، بحيث يشتمل التقدم في محولات الطاقة على هدف عزل كهربائي وحراري أفضل مع الحد الأدنى من كمية العزل السائل لتقليل حجم المحول، كما يجب أن تكون المادة العازلة قادرة على تحمل الضغوط المختلفة لمنع دوائر القصر وتيارات التسرب.

لذلك تكون الزيوت العازلة التقليدية غير قادرة على تلبية متطلبات الانضغاط ومواجهة العديد من العيوب مع الضغوط المتزايدة، كما يجب تطوير عزل سائل جديد أو بعض الكواشف الداعمة الإضافية مع الزيت التقليدي لتلبية جميع متطلبات محولات الطاقة المستقبلية.

وبالتالي؛ فإن تطور تقنية النانو في مجال الطاقة هو خطوة أساسية نحو تحسين المواد العازلة السائلة، بحيث تزدهر تقنية النانو بسرعة بسبب الطلب على تحسين جودة الزيت العازل وأصبحت جزءاً مهماً من البحث.

كذلك صاغ الدكتور “ستيفن تشوي” كلمة “Nanofluid” في عام 1993م، حيث تم تحضير المبرد القائم على الجسيمات بحجم النانو لتحقيق استقرار أفضل والتوصيل الحراري، كما يتم وصف السوائل النانوية (NFs) على أنها تعليق “غرواني” للجسيمات النانوية (NPs) بحجم يتراوح بين (1 إلى 100) نانومتر مشتتة بالتساوي في الوسط العازل والتي يمكن إنشاؤها إما عن طريق العمليات الكيميائية أو الفيزيائية، كما أن لها خصائص نقل فيزيائية وحرارية شاذة.

كما يدعم الحجم الصغير للجسيمات تقديم تعليق ثابت وموصلية حرارية أفضل وتقليل التآكل المادي وقوة ضخ أقل، بحيث تُظهر إضافة كمية قليلة جداً من (NPs) في الوسط العازل تغييراً ملحوظاً في الخواص الكهربائية والحرارية.

كما ويعتمد التحسن الناتج عن (NPs) على العديد من الخصائص الفيزيائية والكيميائية والحرارية لـ (NPs) جنباً إلى جنب مع الوسط الأساسي، لذلك أدت القدرة المحسنة على نقل الحرارة والخصائص الكهربائية إلى استكشاف (NFs) إلى حد كبير، لا سيما كبديل لزيت المحولات الكهربائية.

العمل التجريبي الخاص لتطوير محول القدرة المغمور بالزيت

للتحقق من صحة التحليل النظري؛ فقد أجريت سلسلة من التجارب لإيجاد إمكانات (NFs)، أولاً يتم اختيار (NPs) والسوائل العازلة لإعداد (NFs) بناءً على خصائصها. يتم إجراء اختبارات جهد الانهيار (BDV) لكل (NFs) معدة لها تركيزات (NP) مختلفة من خلال اختبار جهد انهيار الزيت، وعلاوة على ذلك؛ فإنه يتم قياس “السماحية النسبية” لكل (NFs) المعدة بواسطة مجموعة ثابتة العزل، بحيث يتم تفصيل العمل التجريبي خطوة بخطوة على النحو التالي:

المواد المستخدمة في العمليات التجريبية

(NPs) المغناطيسية التي تم اختيارها للعمل التجريبي هي “فوسفيد الحديد” (Fe3P) وأكسيد الكوبالت (II و III) وأكسيد الحديد (II و III)، بحيث تم شراء “جزيئات أكسيد الكوبالت” (II و III) وأكسيد الحديد (II و III) النانوية من (Sigma-Aldrich).

حيث تم تطبيق جزيئات فوسفيد الحديد (Fe3P) ذو الجزيئات الدقيقة من شركة (Sigma-Aldrich)، كما وتم تصنيعها عن طريق تقنية النانو من أعلى إلى أسفل لتشكيل مسحوق نانوي، حيث أن السوائل العازلة التي تم أخذها في التجربة عبارة عن زيت إستر صناعي وزيت إستر طبيعي، بحيث يمكن الوصول إليه تجارياً، وذلك لتحقيق الاستقرار، كما يتم استخدام “حمض الأوليك” (NPs).

أساليب تحضير خاصة بالمحول المغمور بالزيت

بناءً على عدد الخطوات؛ فإنه يمكن تصنيع (NFs) إما في خطوة واحدة أو طريقة من خطوتين، بحيث تتضمن طريقة الخطوة الواحدة تشتيت وتوليف (NPs) المتزامنة، أي أن عمليات التجفيف والتخزين والنقل لا تمارس، وبالتالي تؤدي إلى تعزيز وتقليل تكتل الزيت المستقر القائم على النانو.

بينما تشتمل العملية المكونة من خطوتين على طريقة من مرحلتين، أي توليف الحشو النانوي متبوعاً بتشتيت الحشوات النانوية في السائل المضيف عن طريق استخدام تقنيات ميكانيكية أو حرارية (مثل التحريض الميكانيكي والصوتنة الفائقة والتحريك المغناطيسي).

كما تقلل التقنية المكونة من خطوتين من احتمال وجود مجموعات متعلقة بسبب قوة الجذب بين (NPs)، مما يؤدي إلى استقرار (NPs)، ومع ذلك؛ فإنه لا يمكن القضاء على تخثر (NPs) تماماً، وذلك دون استخدام المواد الخافضة للتوتر السطحي، بحيث يتم تغليف (NPs) المغناطيسية بكفاءة بحمض الأوليك كمادة خافضة للتوتر السطحي بالزيت كوسيط أساسي لتوفير استقرار أفضل في الوسط العازل.

تعتبر المواد الخافضة للتوتر السطحي هي عوامل التثبيت (يمكن أو لا يمكن إضافتها في السائل) والتي تستخدم للتوزيع الصحيح لـ (NPs) في المحلول لتقليل استقرار وتخثر (NPs)، (Fe3P) عبارة عن مادة (NP) ذات طبيعة مغناطيسية ضخمة تتطلب عوامل استقرار، كما تم اختيار الطريقة المكونة من خطوتين في هذا العمل التجريبي لتركيب (NFs) المغناطيسية كما هو موضح في الشكل التالي.

ولتحقيق السطح النشط لـ (NPs)، بحيث يتم خلط تركيز 10٪ من محلول حمض الأوليك (500 مل من محلول) بواسطة التطبيق من محرك مغناطيسي لفترة، كما يؤخذ تركيز 10٪ من محلول حمض الأوليك ليكون 0٪ من تركيز (NP) لهذه التجربة.

وعلاوة على ذلك؛ فإنه يتم إضافة الكمية المطلوبة من (NPs) إلى الحل المعد، بحيث تمت إضافة تركيزات (NPs) في مقياس ملليغرام لتشكيل تركيزات (NP) مختلفة من (NFs) في هذه التجربة، كما تم تحضير (0.0012٪، 0.0022٪، 0.003٪ و 0.004٪)، ومن محاليل (NP) لكل نوع من (NP).

ولتفريق (NPs) بالكامل في المحلول؛ فإنه يخضع المحلول لعملية الموجات فوق الصوتية، والتي تستخدم الطاقة الصوتية ذات الضغط المرتفع والمنخفض بالتناوب للتشتت، وهناك “الصوتنة” هي العملية التي يتم فيها استخدام الموجات فوق الصوتية التي تبلغ قيمة ترددها 20 كيلو هرتز (20000 دورة في الثانية) أو أعلى لإنشاء اهتزازات لتشتت (NFs)، بحيث يتم الاحتفاظ بالمحلول في جهاز الموجات فوق الصوتية لمدة (2-3) ساعات، وتم تغيير العينة بعد كل ستة أعطال متكررة.

القياس الكهربائي الخاص بتجارب المحولات المغمورة

يمكن التحقق من أداء أي زيت عازل من خلال مجموعة محددة من التحليلات التجريبية في شكل مقاومة الانهيار وقياس العزل الكهربائي وما إلى ذلك، كما وقد تم أخذ كلا القياسين في الاعتبار في هذا الطرح لفحص وتحليل (NFs) المُعدّة.

كما أن القياس الثاني هو السماحية العازلة للزيت، بحيث تم حساب “السماحية النسبية” لـ (NFs) المحضرة باستخدام مجموعة ثابت العزل الكهربائي وخلية اختبار الزيت القياسية، والعازل القياسي هو جسر السعة و”عامل التبديد” (Tan δ) الذي يقيس السماحية النسبية بناءً على نسبة السعة، بحيث تحافظ خلية الزيت على فجوة الهواء المنتظمة عند كل سطح من الأقطاب الكهربائية.