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飞轮本质上是一个机械电池，由绕轴旋转的质量组成。它以动能的形式储存能量，其工作原理是将转子加速到非常高的速度，并将系统中的能量维持为旋转能。飞轮储能是一种很有前途的技术，可以替代传统的铅酸电池作为储能系统。
大多数现代高速飞轮储能系统 （FESS） 由一个巨大的旋转圆柱体组成，该圆柱体由磁悬浮轴承支撑在定子（旋转系统的固定部分）上。这些轴承是永磁体，通过排斥力支撑飞轮的重量，并通过电磁铁稳定。
理论与应用
FESS 利用存储在旋转质量中的动能，摩擦损失低。系统的动能由方程 Ek = ½ Iω2
其中 I 是惯性矩，ω 是旋转圆盘的角速度;当 ω 或 I 增加时，系统的能量增加。
飞轮曾经由钢制成，现在由碳纤维复合材料制成，该复合材料具有高抗拉强度，可以储存更多的能量。飞轮中存储的能量是其转速与质量的平方的函数，因此需要更高的转速。以尽可能高的速度旋转可实现最佳能量质量比。然而，飞轮会受到很大的离心力，并且在低于较低密度材料的转速下可能容易失效。
FESS 在真空中运行以减少阻力、摩擦和能量损失，并连接到电动发电机，该发电机通过先进的电力电子设备与公用电网互动。它们在能源网存储中用作瞬时电网频率调节和平衡供需和用电之间突然变化的储备，因此当由于市电波动或丢失而需要短期备用电源时。
电能输入用于使用内置电动发电机将转子加速到速度;惯性允许转子继续旋转，产生的动能转化为电能。通过使用与发电机相同的电机消耗动能来释放能量。
但它并不是发电的主要来源。电网中的额外动力被分流到飞轮并用于使它们运动。当以后需要电力时，利用飞轮的动量产生电力，反馈给电网。
其他应用
在 1950 年代，飞轮储能系统被用于瑞士和比利时的陀螺车等车辆，它们还可以替代电动汽车中的传统化学电池。它们还用于铁路运输、飞机发射系统以及 NASA 用于航天器储能的 G2 飞轮。它们还可用于风力涡轮机，以在非高峰期或高风速期间储存能量。
但这还不是全部。简单的飞轮存在于摩擦玩具中，而更复杂的飞轮则用于过山车等游乐设施和赛车运动，以提高汽车的加速度。
优势
与其他储电方式相比，FESS 的使用寿命很长，可以使用几十年，几乎不需要维护。詹姆斯瓦特蒸汽机中的飞轮已经连续工作了 200 多年。
FESS 还具有较高的比能量和较大的最大功率输出。它们的能源效率 – 每输入能量的能量输出比率 – 可高达 90%。
此外，此类系统不像电池那样受到温度波动的影响，也不会受到许多其他常见故障的影响。FESS 对环境的破坏也较小，因为它们由惰性或良性材料制成。