玻璃纤维缠绕预应力混凝土飞轮储能系统的创新设计与性能评估——基于Energiestro VOSS系统的技术经济性研究

全球能源转型加速推动储能需求激增，锂电池受限于资源稀缺性与环境风险，物理储能技术成为重要补充。飞轮储能通过高速旋转飞轮实现动能-电能转换，其核心挑战在于平衡材料性能与经济性。传统碳纤维飞轮虽具备高储能密度（>4000MPa抗拉强度），但成本高达200欧元/kWh，难以满足家用及工商业场景需求。

法国Energiestro公司提出以混凝土为基体、玻璃纤维为增强材料的创新方案，通过预应力缠绕技术突破材料限制，为低成本飞轮储能提供新路径。该公司的VOSS（“太阳能储能飞轮”）产品，包括预应力混凝土/玻璃纤维复合材料飞轮，设计主要埋设在装有太阳能电池板的住宅或企业庭院的混凝土罐内，并在地面上设有检修口以便维护，该系统的设计使用寿命为30年。

在材料的选择上，早期的飞轮储能系统采用全金属设计，后来出现了更新、更高效的碳纤维复合材料版本，这种版本利用碳纤维比钢材更轻的重量和更高的抗拉强度，使其旋转速度更快，从而在相同质量下储存更多能量。然而，碳纤维复合材料飞轮成本高昂，Energiestro进而开发了一种玻璃纤维复合材料与混凝土为主体的替代性解决方案，用于制造一种成本更低、更耐用的飞轮。

该方案采用玻璃纤维+混凝土‌对的搭配，飞轮抗拉强度约1000-1500MPa，成本仅20欧元/kWh，是碳纤维飞轮成本的十分之一，性价比优势显著。为实现高效预应力施加，Energiestro联合Autonational Composites开发了垂直缠绕系统和张力控制技术：针对3吨级混凝土飞轮的重量限制，采用垂直缠绕布局，结合起重机辅助运输，解决传统水平设备无法承载的问题；通过10组独立滚筒系统逐步增加纤维张力，避免玻璃纤维因瞬时高应力断裂，同时匹配纤维模量变化（随张力增加长度延伸），确保缠绕均匀性；在缠绕过程中实时喷涂环氧树脂，固化后形成致密复合材料层，厚度约2cm（50层），兼顾轻量化与结构强度。

从储能密度来看，玻璃纤维-混凝土飞轮储能密度达8Wh/kg，较全混凝土方案提升300%，但仍为碳纤维飞轮（25Wh/kg）的32%。且在真空环境下，系统整体效率为85%，与碳纤维飞轮持平。玻璃纤维价格约为碳纤维的1/10，混凝土基体成本可忽略不计；定制化缠绕系统实现自动化生产，单飞轮制造周期可控，规模化后边际成本进一步降低；从产品的全生命周期成本来看‌，30年设计寿命远超锂电池（通常为5-10年），且基本无需维护或更换。30年运营周期内单位电能成本为0.05欧元/kWh，低于锂电池（0.12欧元/kWh）。Energiestro的VOSS系统定位于户用及工商业储能场景，埋地式设计减少空间占用，与太阳能板直接集成。其目标客户对“低成本、长寿命”需求明确，玻璃纤维复合材料的性价比优势完美契合这一市场缺口。

Energiestro公司创始人Gennesseaux与VOSS系统

该团队最终成功制造出一个预应力混凝土/玻璃纤维复合材料飞轮，在储能系统中运行时，目前可以存储高达10千瓦时的太阳能电池板电能。Energiestro计划进一步发展更大规模的系统，将储能容量提升至50千瓦时。

截至2025年初，Energiestro已安装两套用于商业和工业太阳能电池板系统的beta测试系统，并计划今年再安装10套。这些系统均在该公司位于法国的试验工厂生产。 该公司创始人Gennesseaux表示“我们现在正在筹集资金，用于建造一座更大的工厂，以便实现规模化生产”。该公司希望能够在 2027 年开始商业化生产。

在商业规模方面，Energiestro计划与当地合作伙伴合作，向家庭消费者或企业销售 VOSS 系统，最终目标是提供可用于大型太阳能发电厂的系统，Gennesseaux估计每个发电厂大约需要 10,000 套系统。