能源產業應用｜能源材料之熱分析與熱物性量測
全球能源轉型與減碳目標，使得燃料、儲能與能源轉換材料的研發與優化成為關鍵課題。 透過熱分析與熱物性量測，可以在受控溫度與氣氛條件下，精確評估燃料、光伏材料與高溫儲能介質的熱穩定性、 熱導率與相變化行為，作為電廠設計、太陽能系統與新型能源技術開發的重要依據。
能源產業為何需要熱分析與熱物性量測？
在傳統與再生能源系統中，無論是燃燒、發電、熱儲存或電化學轉換，核心關鍵都在於「材料在溫度變化下的行為」。 利用熱分析與熱物性量測，可以取得燃料與功能材料在升溫、冷卻及長期運轉條件下的可靠數據， 進而優化設計並降低能源損失與設備損耗。
- 燃料熱物性與燃燒效率：量測熱導率、比熱與熱膨脹係數，協助鍋爐與燃燒室設計。
- 新型光伏與儲能材料研發：評估薄膜與晶體材料之相穩定性與熱行為，優化製程與壽命。
- 高溫熱儲存與熔鹽系統：掌握熔鹽的熱導率、比熱與分解行為，提升熱儲存效率與安全性。
- 材料壽命與可靠度評估：在循環加熱／冷卻條件下模擬長期運轉，預測變形、疲勞與劣化。
- CO₂ 減量與節能設計：利用精準熱物性數據做熱平衡與流程模擬，降低能耗與排放。
應用案例一：煤、原油與天然氣的熱導率與比熱量測
傳統燃料如煤、原油與天然氣，仍是許多火力發電與工業鍋爐的重要能源。 了解其熱導率、比熱與熱膨脹行為，有助於精準設計燃燒器、熱交換器與高溫管線， 以達到高效率燃燒與降低設備磨損。
量測與解析重點：
- 熱導率（Thermal Conductivity）：影響燃料床與灰渣層中的熱傳效率。
- 比熱容量（Heat Capacity）：是熱平衡計算與鍋爐啟停策略設計的重要參數。
- 熱膨脹（Thermal Expansion）：與耐火材料與金屬結構件的熱應力與壽命息息相關。
透過系統化的熱物性量測，可支援燃料品質控管與燃燒系統優化，協助能源供應商在安全前提下提升發電效率。
應用案例二：太陽能光伏材料的熱穩定性與薄膜品質評估
除了傳統的多晶矽太陽能電池外，新一代光伏技術如 CIGS、CdTe 與鈣鈦礦太陽能電池， 正逐漸成為提高轉換效率與降低成本的重要候選材料。 這些材料在高溫製程、日夜溫度循環與戶外長期曝曬下的熱穩定性，是決定模組壽命與可靠度的關鍵。
量測與解析重點：
- 薄膜與基板的熱膨脹匹配：避免因熱膨脹係數差異造成翹曲或裂紋。
- 相變化與分解溫度：透過 DSC／TGA／STA 觀察吸放熱與質量變化，評估材料穩定性。
- 熱導率與比熱：作為模組熱管理與散熱設計的基礎參數。
藉由熱分析與熱物性量測，可在研發階段就篩選出兼具效率與耐候性的光伏材料， 並為模組封裝與系統散熱設計提供量化依據。
應用案例三：熔鹽在熱儲存與先進能源系統中的熱穩定性（LFA / STA）
熔鹽已廣泛用於聚光太陽能電廠與高溫儲能系統，未來亦被視為核能與新型發電技術的重要熱傳與儲能介質。 以 FLiNaK 等氟鹽系統為例，具有優異的熱傳與高溫穩定性，但也必須仔細評估其分解行為與與結構材料的相容性。
量測與解析重點：
- 熱導率與熱擴散率：可使用雷射閃射法（LFA）於高溫下測定，作為熱儲存槽與換熱器設計依據。
- 熱穩定性與分解行為：利用 STA（TGA + DSC）觀察熔鹽於不同氣氛下的質量變化與放熱／吸熱反應。
- 長期循環可靠度：在溫度循環條件下模擬實際運轉，評估物性是否隨時間劣化。
這些量測結果可直接用於熱能儲存系統的設計與壽命預估，並降低高溫運轉下的材料風險與維護成本。
能源材料常用熱分析與熱物性量測技術一覽
- 差示掃描量熱（DSC）：量測相變化、熔融與結晶行為，以及反應熱與比熱容量。
- 熱重分析與同步熱分析（TGA / STA）：評估燃料與熔鹽的分解行為、氧化還原反應與揮發物損失。
- 熱導率與熱擴散率量測（LFA、THB、HFM 等）：取得固體、液體與熔融體系的熱傳特性，用於鍋爐與儲能系統設計。
- 熱膨脹與高溫尺寸穩定性（DIL / TMA）：掌握結構材料與功能材料的線膨脹係數，避免熱應力損壞。
- 電性與熱電特性量測（如 Seebeck 係數等）：對於熱電材料與部分能源轉換元件，可進一步評估其發電效率潛力。
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郭文龍｜FST International｜Email: Allen.kuo@fstintl.com.tw