飛輪儲能（Flywheel 能量 Storage），是采用物理方法進行儲能，利用雙向電機（電動或發電模式）驅動大慣量飛輪高速旋轉，實現電能與飛輪機械能之間相互轉換的一種技術。
20世紀50年代，學術界開始飛輪儲能的研究。1973年，以美國能源研究與開發署為代表的多家機構率先展開了對飛輪儲能技術的研究。20世紀70年代，英國、法國等國家也先后投入到對飛輪儲能系統的研究中。20世紀90年代中后期，美國的飛輪儲能技術進入產業化發展階段，同一時期中國科研院所也開始進行飛輪儲能相關技術研究。2001年，英、美、法、德國陸續采用飛輪吸收制動動能。2020年，CNESA發布中國首個飛輪儲能系統團體標準《飛輪儲能系統通用技術條件》。
飛輪儲能系統根據轉子旋轉速度分為低速飛輪儲能和高速飛輪儲能。飛輪儲能的基本原理是旋轉飛輪的角動量守恒，即利用旋轉體旋轉時的動能實現能量存儲和釋放。飛輪儲能系統主要由飛輪轉子、支撐系統、動/發一體機、電力轉換器、真空殼體等部分組成。飛輪儲能系統以其高功率、高能量密度、快速充放電等優點，廣泛應用于航空航天、UPS電源、交通運輸、風力發電、中核集團等領域。
發展簡史
起源
飛輪起源于200多年前的瓦特蒸汽機時代，主要被用于減輕發動機運轉過程中的速度波動，提高機器運轉穩定性。20世紀50年代，學術界就開始了飛輪儲能的研究，但進展緩慢。
1973年，石油危機席卷全球使西方國家認識到了能源供應的戰略地位，飛輪的能量存儲潛力也開始逐漸引起人們的重視，以美國能源研究與開發署為代表的多家機構率先展開了對飛輪儲能技術的研究。
發展進程
萌芽期
在航空航天領域，美國航空航天局（NASA）率先發掘飛輪儲能在該領域的應用前景和潛力，重點研究航空航天應用的高比強度飛輪轉子材料、磁軸承以及電動/發電兩用高速電機等技術。此后，NASA資助戈達德空間飛行中心研究航天飛輪儲能技術，相關研究完成了地面測試和論證，并實現了關鍵技術在民用領域的工程轉化和應用。在車輛動力領域，美國于20世紀70年代提出車輛動力用超級飛輪儲能計劃，其已經實現了多種工程樣機的示范應用。在此期間，英國、法國等國家也先后投入到對飛輪儲能系統的研究中。
啟動期
20世紀90年代中后期，美國的飛輪儲能技術進入產業化發展階段，首先在不間斷供電過渡電源領域提供商業化產品，推動飛輪儲能UPS（UPS電池）市場穩定發展。同一時期中國科研院所也開始進行飛輪儲能相關技術研究，上海航天控制技術研究所、清華大學、北京航空航天大學、華北電力大學等院校走在行業前沿。1995年，中國首個飛輪儲能技術研究室建成，該實驗室由清華大學工程物理系率先掛牌成立。1997年，第一套飛輪儲能系統在清華大學研制成功。
2001年，英、美、法、德國陸續采用飛輪吸收制動動能。2003年，VYCON公司成立于洛杉磯，是全球領先的磁懸浮飛輪生產制造商。2007年，德國建設完成250kW/5kWh磁懸浮飛輪系統。同年，華中科技大學從提高電力系統穩定性出發，研究了基于飛輪儲能的柔性功率調節器樣機。2008年，北京航空航天大學面向航天應用領域研究了磁懸浮姿態控制和儲能兩用的飛輪系統。中國飛輪儲能產業同樣有著蓬勃發展的態勢。
2010年前后，一些技術裝備企業開始基于飛輪儲能系統推廣示范性應用，如盾實磁能科技有限責任公司研制的大功率高速飛輪儲能裝置用于電氣化軌道交通能量利用和提升牽引網電壓的穩定性。2011年，紐約史蒂芬森敦20MW飛輪調頻電站投入運營。2014年，美國研發集成飛輪UPS電源的模塊化電源系統；同年，中國第一臺200kW工業化磁飛輪調試成功。2016年，德國Piller公司推出雙變換式飛輪UPS。
高速發展期
2018年，沈陽微控新能源技術有限公司引進VYCON公司的飛輪儲能技術，在中國首先實現了高速磁懸浮飛輪的批量生產，VYCON公司現為沈陽微控新能源技術有限公司的全資子公司。截至2018年，美國的飛輪儲能技術已經步入產業化階段，其率先在不間斷供電應用領域實現商業化產品輸出，基于飛輪儲能的UPS電池市場依然具有穩定發展的態勢。2020年，CNESA（中國能源研究會儲能專委會）發布中國首個飛輪儲能系統團體標準《飛輪儲能系統通用技術條件》。2022年，倫敦尤斯頓車站HS2項目使用200kVA發電機和儲能飛輪系統結合進行建設。同年，青島市地鐵3號線兆瓦級飛輪儲能正式并網應用。
分類
飛輪儲能系統可以根據轉子旋轉速度、軸承類型、轉子材料的選擇和不同的應用場合進行分類。
按轉速分類
從旋轉速度角度，通常以軸系的旋轉速度6000~10000 r/min為界，將飛輪儲能分為低速飛輪儲能和高速飛輪儲能兩類。
低速飛輪儲能
低速飛輪儲能的轉子主要由優質鋼制成，轉子邊緣線速度一般不會超過100m/s低速飛輪儲能可采用機械軸承、永磁軸承或者電磁軸承，整個系統功率密度較低，主要通過增加飛輪的質量來提高儲能系統的功率和能量。低速飛輪儲能主要集中發揮其技術成熟、運行效率高和成本低廉的優勢。
高速飛輪儲能
高速飛輪儲能的轉子主要采用玻璃纖維、碳纖維等，轉子邊緣線速度能夠達到50000 r/min以上。高速飛輪儲能無法采用機械軸承，只能采用永磁、電磁或者超導類軸承。國外對永磁和電磁軸承的研究和應用已經比較成熟，最新的研究熱點是基于超導磁懸浮的高速飛輪儲能。高速飛輪儲能系統專注于對高能量密度和功率密度特點的發掘。
其他分類
1）按軸承分類
從構成飛輪儲能的軸承結構來看，主要包括傳統的機械軸承飛輪儲能、永磁軸承飛輪儲能、超導磁軸承飛輪儲能和電磁軸承飛輪儲能，以及集成以上優點的組合式軸承飛輪儲能系統等。
2）按轉子材料分類
從飛輪轉子材料角度，可以將飛輪分為復合材料轉子飛輪以及金屬材料飛輪兩大類。
3）按應用場景分類
從應用場景來看，將飛輪儲能產品分為能量型飛輪儲能以及功率型飛輪儲能等。
工作原理
飛輪儲能系統又稱飛輪電池，是一種機—電能量轉換與儲存裝置，其工作原理為： 電力電子變換裝置從外部輸入電能驅動電動機旋轉，電動機帶動飛輪旋轉，飛輪儲存動能（機械能），當外部負載需要能量時，用飛輪帶動發電機旋轉，將動能轉化為電能，再通過電力電子變換裝置變成負載所需要的各種頻率、電壓等級的電能，以滿足不同的需求。
物理特性
能量密度
飛輪的儲能密度與材料的抗拉強度成正比，與飛輪材料密度成反比。因此為了增加飛輪的儲能密度應該選用高比強度（δ/ρ）的材料制作飛輪。其中儲能密度值是計算的等厚圓盤飛輪的理論值。下表中可以看出，高強度鋼和鋁合金在抗拉強度和儲能密度兩個方面均不及復合材料，這也是早期飛輪儲能技術難以取得突破進展的原因之一，復合材料在抗拉強度和儲能密度方面表現出的優良特性使得復合材料成為制造飛輪轉子的理想材料。
能量儲存形式
飛輪儲能系統依靠飛輪轉子的高速旋轉來存儲能量，從飛輪儲能原理可知飛輪轉速越高其存儲的能量就越多。一般飛輪儲能器多采用繞垂直軸旋轉的結構形式，因為在地球重力場中，繞垂直軸旋轉的飛輪儲能器受地球重力場的影響較繞水平軸旋轉的飛輪儲能器小，而且繞垂直軸旋轉的飛輪儲能器的陀螺效應，更有利于飛輪儲能器保持穩定的運轉。
儲能效率
飛輪儲能的容量是指其能量和功率兩個技術指標。能量反映了飛輪存儲的總動能，功率則與飛輪電機的電動/ 發電功率和負載相關。提高飛輪轉子的轉動慣量和轉速均能提高飛輪的能量，轉動慣量可以通過飛輪形狀設計優化和增加質量得到提高，提高轉速主要受到材料旋轉強度的限制。中低速飛輪單機采用合金鋼飛輪轉子，工作轉速在3000～8000 r/min之間，可以大型化來增加可用能量；目前中低速飛輪單機的功率在250~3000 kW之間，能量可達10～60 MJ。
抗張強度
對于工作轉速9000r/min的飛輪采用3層復合材料纏繞設計，飛輪內半徑430mm，各層厚度為125mm、115mm、130mm，徑向應力在12.5MPa以下；工作轉速15000r/min的飛輪采用4層復合材料纏繞設計，飛輪內半徑280mm，各層厚度為74mm、72mm、75mm、79mm，徑向應力在10.4MPa以下。兩種設計均能滿足儲能量需求和結構強度要求，且充分利用各材料剩余強度，因為高模量纖維的價格數倍于高強纖維，采用3層復合材料設計的經濟性更好。
陀螺效應
軸承技術是儲能飛輪研究的關鍵技術。由于儲能飛輪的質量、轉動慣量相對較大，轉速很高，其陀螺效應十分明顯，并存在過臨界問題，因此對支承軸承提出了較高的要求。其中滾動軸承和滑動軸承常用作飛輪系統的保護軸承，陶瓷軸承和擠壓油膜阻尼軸承在特定的飛輪系統中獲得應用。
結構組成
飛輪儲能系統的結構主要由飛輪轉子、支撐系統、動/發一體機、電力轉換器、真空殼體等五部分組成。
飛輪轉子
早期的飛輪轉子多使用鋼或鋁合金材料，這類轉子具有重量大、轉速慢、儲能密度低等缺點。為了提高其性能，多以高性能連續纖維作為增強體，以樹脂材料作為基體，采用預應力纏繞技術與多環過盈配合相結合的工藝制造出重量輕、儲能密度大的復合材料飛輪轉子。法國Socomec公司和美國Beacon Power公司生產的儲能系統均采用了復合材料飛輪轉子。為Beacon Power公司應用的大尺寸復合材料飛輪轉子。
支撐系統
飛輪儲能系統在運行過程中的最大轉速不僅受自身材料限制，另外配套的支撐軸承系統的選取也會一定程度的影響運行效率。軸承系統是飛輪裝置的支撐系統，飛輪儲能系統的軸承支撐方式主要包括：機械軸承、被動磁軸承和主動磁軸承。當飛輪轉子在高速旋轉的時候，傳統的機械軸承會消耗較多的能量，為了提高整個儲能系統的效率，多采用磁軸承作為低能耗的支撐方式，但為了避免磁軸承失效對轉子系統造成的損傷，多選用機械輔助軸承配合磁軸承的支撐方案。
動/發一體機
動/發一體機是整個飛輪儲能系統的核心動力源。機械能與電能之間的轉換就是通過動/發一體機的相互轉換實現的。使用動/發一體機可以大大提高整個系統的空間使用率，降低儲能系統的總體重量。電機部分集成了電動機和發電機，是一種雙向電機裝置，可以正反向實現充/放電的功能。當系統處于充電狀態時，飛輪的轉速逐漸升高，最終達到最大旋轉速度；反之，系統處于放電狀態時，飛輪的轉速隨著系統放電逐漸下降。
電力轉換器
電力轉換器是儲能飛輪系統中能量轉換控制的關鍵部件，它具有調頻、恒壓、整流等功能。電力轉化器主要是輔助電動/發電機進行動能和電能之間的相互轉換過程。當系統需要儲存電能時，其會將外部輸送來的交流電通過AC/DC的方式供給電機，進而驅動飛輪旋轉儲能；當需要放電時，又會起到整流、調頻、穩壓的作用，以滿足負載用電需求。
真空殼體
真空殼體是飛輪儲能裝置中的輔助系統。將高速旋轉的飛輪轉子至于真空狀態下，主要是為了減少飛輪轉子系統的風阻損耗。真空室主要的技術問題是如何長時間穩定保持真空狀態，即密封狀態的保持，這是真空室系統效率和核心影響參數。國際范圍內最先進的真空系統可穩定到真空度為10-5量級。隨著真空度的增加風阻損耗明顯下降，但是在此環境下散熱性能減弱，飛輪本體溫度升高較快。英國研究人員已經驗證了在低速運轉條件下，氦氣環境可以減少風阻損耗。
關鍵技術
飛輪儲能關鍵技術中最重要的兩個因素是儲能和減少損耗。為了提高飛輪轉速，飛輪的材料與高速電機的選擇尤其重要。使用真空室能大大減少飛輪與空氣的摩擦損耗，使用磁軸承能夠大大降低支承摩損并提高使用壽命。
飛輪材料的選擇
飛輪的儲能密度和飛輪能承受的強度會直接影響飛輪材料的選擇。碳素纖維密度小，強度高，是其中最好的選擇。同時，使用碳素纖維制成的飛輪一旦發生解體，飛輪本身會變成絮狀物飛出，降低了事故帶來的危害。
飛輪轉子的設計
飛輪的轉速決定了飛輪儲能系統可以存儲的最大能量，轉子的最大轉速越高，則其存儲能量就越大。然而飛輪可以達到的最大轉速又受到本身材料性能的限制，即轉速過高可能引起轉子出現裂縫等問題，從而造成安全事故。出于安全考慮，對飛輪轉子的運行轉速通常控制在一定的安全范圍內，即轉子存在最低轉速（維持轉動的最小速度）和最大轉速，參數的具體選擇與轉子的結構和材料有關。
軸承系統的設計
軸承系統具有減小運行過程中的摩擦和支撐作用，對軸承系統的設計和選擇是除飛輪轉子材料之外，影響飛輪運行轉速和飛輪儲能系統能量轉換效率的另一重要因素。飛輪轉速的大小，可以決定飛輪電池存儲能量的多少，然而飛輪電池儲能系統中飛輪所能達到的極限轉速除與飛輪本身的屬性有關外，還與支承軸承的選擇有很大關系。因飛輪電池在能量保持模式時飛輪需要保持高速運轉，這就需要軸承的摩擦損耗盡量小甚至為零，以減少能量損耗，從而提高系統的儲能效率。軸承在承受飛輪本體重量的同時，還要承受飛輪轉子在高速旋轉時引起的離心力，這就要求支承軸承既要損耗少又要強度高。
電機系統的設計
電機系統具有電動機和發電機的雙重屬性，是完成飛輪儲能充電和放電過程中不可或缺的關鍵裝置。適用于飛輪儲能系統的電機必須具備以下特性：電機可分別運行于電動機工況和發電機工況，實現能量雙向轉換；空載損耗低，電機效率高，保證飛輪儲能系統長時運行、整體能量轉換效率高；電機調速范圍廣，轉速控制方式簡單且可靠，滿足飛輪儲能系統運行轉速工作范圍；電機能量密度高，既能輸出較大轉矩，又能輸出較大功率。
電能變換器控制技術
電能變換器可輔助電機實現能量在不同形式之間相互轉換，起到控制電機旋轉、充電、放電等作用。由于永磁電機輸入輸出頻率隨轉速變化，而輸入輸出要求為穩定的直流或交流電，這就要求電力電子系統具備整流、逆變、濾波等多種功能，以保證高效驅動電機和穩定輸出電能。
真空室與冷卻系統
真空室與冷卻系統在飛輪高速旋轉的過程中，能量的損耗不僅包括機械摩擦損耗，還包括運行中的空氣阻力摩擦損耗。為了盡可能減小空氣阻力帶來的風阻，通常需要將飛輪放入真空室內從而降低風阻，以保證設備的安全運行和減少事故的發生。因此，長時間穩定維持真空狀態是真空室面臨的主要技術問題。英國研究院的研究顯示，在同等壓力下，氦氣的導熱能力是空氣的7倍，而產生的風阻僅有空氣的1/7。在飛輪低速旋轉條件下，使用氦氣環境會有效平衡風阻損耗和散熱性能，且人類對于氦氣的使用經驗相對豐富，選擇氦氣作為真空室的填充氣體有著成本低、維護運行方便等優勢。
技術特點
飛輪儲能系統在電池行業中的發展前景好，同時在很多方面具有現代化學電池難以做到的較高性能。飛輪儲能主要具有以下優點：
應用領域
飛輪儲能系統已被應用于智能電網、交通運輸、航空航天、UPS 電源、風力發電、大功率脈沖電源、能量回收等領域。
智能電網領域
在智能電網領域，飛輪儲能系統可以從電網中快速吸收和釋放電力，因此，飛輪儲能系統與電力系統相結合可以解決電網穩定性和電能質量問題，提供可靠的電力運行系統。采用飛輪儲能系統在電網上進行大規模的儲能應用已發展多年，如美國Beacon Power公司已經在馬薩諸塞州建成了1 MW的調頻電廠，且美國能源部又支持Beacon Power公司建設兩個20 MW的飛輪儲能電站。隨著飛輪儲能技術的進一步完善，它還可以被用于負荷中心的削峰填谷，提高電網的運行經濟性。
交通運輸領域
在交通運輸領域，用飛輪儲能系統代替內燃機具有很好的前景，稱之為車載飛輪電池。車載飛輪電池具有清潔無污染、充電快捷等優點。20世紀80年代初，瑞士研究出第一輛飛輪電池汽車的充電時間控制在2min中內。在這之后，美國的飛輪系統公司、羅森公司、得克薩斯州奧斯汀機電中心，英國的Flybird公司都投入研發力量進行車載飛輪儲能系統的研究。90年代末，美國Texas大學將飛輪儲能系統應用于軍用車輛中，該系統可以間歇性的提供5MW的輸出脈沖，連續輸出功率為350kW，最小的空載損耗小于1000W，可以滿足14-ton的軍用偵查車輛的脈沖電力需求。
航空航天領域
在航空航天領域，國際空間站的主要能量來源是太陽能，當月食出現時，飛輪儲能系統仍然能夠保障國際空間站的正常運行。與化學電池相比，飛輪儲能系統在能量存儲密度、存儲效率、使用壽命以及航天器的小型化、輕量化等方面均具有明顯的優勢。以EOS-AMI型航天器為例，采用飛輪儲能比采用NiH2電池的質量和體積分別減少了35%和55%。在20世紀90年代末，飛輪儲能系統在地球軌道衛星儲能與姿態控制等方面的應用也得到了飛速發展。
UPS 電源
飛輪儲能系統的快速充放電性能使其具有強大的瞬間斷電保護能力。對于大型數據中心來說，飛輪UPS可以提供15～120s的保障時間，這個過程完全可以保證柴油發電機的正常啟動，保持數據中心電源不間斷。美國Active Power公司于2007年將飛輪儲能技術運用在中國網通山西省通信公司太原市第二樞紐樓的UPS中日。在市電正常時，飛輪相當于一臺低耗空載電動機，轉速維持在7700dmin；當市電異常或停電時，飛輪系統能夠瞬間供電。
大功率脈沖電源（軍事）領域
在大功率脈沖電源方面，飛輪儲能系統快速釋放大電流的功能特性，使其完全可以作為大功率供電系統應用在這一領域。例如，美國的電磁炮就是采用飛輪儲能系統結合補償脈沖發電機來提高裝置的功率密度和能量密度。此外，飛輪儲能系統還可以應用在艦載機的電磁彈射、防空導彈的電磁彈射等設備中。
風力發電系統
在風力發電、光伏發電等新能源方面，因為風/光發電自身的間歇性和波動性，并網后增大了電網的沖擊，對電力系統的安全穩定運行造成了一定的影響。而飛輪儲能系統作為一個可靈活調控的有功源，能穩定并網頻率和電壓，減小可再生能源的波動性，削峰填谷，降低對電網的沖擊，有效地改善了可再生能源并網過程中產生的電能質量問題，確保了安全性和可靠性。美國的VistaEngineering Technologies將飛輪引入到風力發電系統，實現全程調峰，飛輪機組的發電功率為300kW，大容量儲能飛輪的儲能為277kW/h。
能量回收
在能量回收領域飛輪儲能主要集中在新能源汽車和城市軌道交通等方面。由于車輛等設備反復啟停會造成電能浪費、網壓穩定性差等問題，降低了能源的使用效率。通過飛輪儲能裝置把這部分能量轉化為動能存儲起來，在需要的時候，輸出到系統中，可以減少能量損失，提高能量的利用率。
發展趨勢
面臨的挑戰
飛輪儲能系統技術門檻較高，復合材料結構技術、磁軸承技術、真空中的高速高效電機技術中仍然有一些亟待解決的問題。飛輪儲能乃至整個儲能領域還沒有形成獨立產業鏈，儲能行業的商業化模式尚未完全成形。從飛輪儲能技術的發展來看，中國企業基本掌握了合金飛輪技術，但在結構設計、復合材料轉子飛輪等方面與國外相比有明顯的差距。中國市場上飛輪儲能應用大部分為試點產品，成熟運行產品較少，運行功率較低，后備時間極短，部分技術性能需要進一步完善。在系統容量、轉換率、使用壽命、安全性等方面亟須創新和突破。同時，飛輪儲能商業化還存在成本偏高、缺少價格激勵政策、技術路線不夠成熟、欠缺技術規范和接入標準等問題。
未來的發展方向
飛輪儲能技術的未來研究重點將從列陣化、自動化、智能化、高性能、高穩定性等角度出發，主要包括以下幾個方面：
參考資料 >
飛輪轉一轉，儲能千千萬.澎湃新聞.2024-03-14
飛輪儲能在電力系統的應用和發展前景.?《中國電業》.2024-03-14
本市飛輪儲能技術應用場景分析及發展建議.北京節能環保中心.2024-03-14
飛輪儲能.東方財富網.2024-03-14
飛輪儲能有望從“小眾”走向“大眾”.中國能源報.2024-03-14
走進微控新能源：飛輪儲能需求較旺盛 全浮技術優勢凸顯.科創板日報.2024-03-14
熱點追蹤 | 跨界合作！英國HS2項目應用F1賽車“飛輪儲能技術”，大幅降低碳排放.上海市土木工程學會.2024-03-14
我國首臺套兆瓦級飛輪儲能裝置青島地鐵3號線安裝并網.科技日報.2024-03-14
電動車用飛輪儲能，40年前的技術又熱起來了?.鳳凰網汽車.2025-09-29