飞轮储能（Flywheel 能量 Storage），是利用双向电机（电动或发电模式）驱动大惯量飞轮高速旋转，实现电能与飞轮机械能之间相互转换的一种技术。

20世纪50年代，学术界开始飞轮储能的研究。1973年，以美国能源研究与开发署为代表的多家机构率先展开了对飞轮储能技术的研究。20世纪70年代，英国、法国等国家也先后投入到对飞轮储能系统的研究中。20世纪90年代中后期，美国的飞轮储能技术进入产业化发展阶段，同一时期中国科研院所也开始进行飞轮储能相关技术研究。2001年，英、美、法、德国陆续采用飞轮吸收制动动能。2020年，CNESA发布中国首个飞轮储能系统团体标准《飞轮储能系统通用技术条件》。

飞轮储能系统根据转子旋转速度分为低速飞轮储能和高速飞轮储能。飞轮储能的基本原理是旋转飞轮的角动量守恒，即利用旋转体旋转时的动能实现能量存储和释放。飞轮储能系统主要由飞轮转子、支撑系统、动/发一体机、电力转换器、真空壳体等部分组成。飞轮储能系统以其高功率、高能量密度、快速充放电等优点，广泛应用于智能电网、交通运输、综合能源系统等领域。

飞轮起源于200多年前的瓦特蒸汽机时代，主要被用于减轻发动机运转过程中的速度波动，提高机器运转稳定性。20世纪50年代，学术界就开始了飞轮储能的研究，但进展缓慢。

1973年，石油危机席卷全球使西方国家认识到了能源供应的战略地位，飞轮的能量存储潜力也开始逐渐引起人们的重视，以美国能源研究与开发署为代表的多家机构率先展开了对飞轮储能技术的研究。

在航空航天领域，美国航空航天局（NASA）率先发掘飞轮储能在该领域的应用前景和潜力，重点研究航空航天应用的高比强度飞轮转子材料、磁轴承以及电动/发电两用高速电机等技术。此后，NASA资助戈达德空间飞行中心研究航天飞轮储能技术，相关研究完成了地面测试和论证，并实现了关键技术在民用领域的工程转化和应用。在车辆动力领域，美国于20世纪70年代提出车辆动力用超级飞轮储能计划，其已经实现了多种工程样机的示范应用。在此期间，英国、法国等国家也先后投入到对飞轮储能系统的研究中。

20世纪90年代中后期，美国的飞轮储能技术进入产业化发展阶段，首先在不间断供电过渡电源领域提供商业化产品，推动飞轮储能UPS（UPS电池）市场稳定发展。同一时期中国科研院所也开始进行飞轮储能相关技术研究，上海航天控制技术研究所、清华大学、北京航空航天大学、华北电力大学等院校走在行业前沿。1995年，中国首个飞轮储能技术研究室建成，该实验室由清华大学工程物理系率先挂牌成立。1997年，第一套飞轮储能系统在清华大学研制成功。

2001年，英、美、法、德国陆续采用飞轮吸收制动动能。2003年，VYCON公司成立于洛杉矶，是全球领先的磁悬浮飞轮生产制造商。2007年，德国建设完成250kW/5kWh磁悬浮飞轮系统。同年，华中科技大学从提高电力系统稳定性出发，研究了基于飞轮储能的柔性功率调节器样机。2008年，北京航空航天大学面向航天应用领域研究了磁悬浮姿态控制和储能两用的飞轮系统。中国飞轮储能产业同样有着蓬勃发展的态势。

2010年前后，一些技术装备企业开始基于飞轮储能系统推广示范性应用，如盾实磁能科技有限责任公司研制的大功率高速飞轮储能装置用于电气化轨道交通能量利用和提升牵引网电压的稳定性。2011年，纽约史蒂芬森敦20MW飞轮调频电站投入运营。2014年，美国研发集成飞轮UPS电源的模块化电源系统；同年，中国第一台200kW工业化磁飞轮调试成功。2016年，德国Piller公司推出双变换式飞轮UPS。

2018年，沈阳微控新能源技术有限公司引进VYCON公司的飞轮储能技术，在中国首先实现了高速磁悬浮飞轮的批量生产，VYCON公司现为沈阳微控新能源技术有限公司的全资子公司。截至2018年，美国的飞轮储能技术已经步入产业化阶段，其率先在不间断供电应用领域实现商业化产品输出，基于飞轮储能的UPS电池市场依然具有稳定发展的态势。2020年，CNESA（中国能源研究会储能专委会）发布中国首个飞轮储能系统团体标准《飞轮储能系统通用技术条件》。2022年，伦敦尤斯顿车站HS2项目使用200kVA发电机和储能飞轮系统结合进行建设。同年，青岛市地铁3号线兆瓦级飞轮储能正式并网应用。

飞轮储能系统可以根据转子旋转速度、轴承类型、转子材料的选择和不同的应用场合进行分类。

从旋转速度角度，通常以轴系的旋转速度6000~10000 r/min为界，将飞轮储能分为低速飞轮储能和高速飞轮储能两类。

低速飞轮储能的转子主要由优质钢制成，转子边缘线速度一般不会超过100m/s低速飞轮储能可采用机械轴承、永磁轴承或者电磁轴承，整个系统功率密度较低，主要通过增加飞轮的质量来提高储能系统的功率和能量。低速飞轮储能主要集中发挥其技术成熟、运行效率高和成本低廉的优势。

高速飞轮储能的转子主要采用玻璃纤维、碳纤维等，转子边缘线速度能够达到50000 r/min以上。高速飞轮储能无法采用机械轴承，只能采用永磁、电磁或者超导类轴承。国外对永磁和电磁轴承的研究和应用已经比较成熟，最新的研究热点是基于超导磁悬浮的高速飞轮储能。高速飞轮储能系统专注于对高能量密度和功率密度特点的发掘。

1）按轴承分类

从构成飞轮储能的轴承结构来看，主要包括传统的机械轴承飞轮储能、永磁轴承飞轮储能、超导磁轴承飞轮储能和电磁轴承飞轮储能，以及集成以上优点的组合式轴承飞轮储能系统等。

2）按转子材料分类

从飞轮转子材料角度，可以将飞轮分为复合材料转子飞轮以及金属材料飞轮两大类。

3）按应用场景分类

从应用场景来看，将飞轮储能产品分为能量型飞轮储能以及功率型飞轮储能等。

飞轮储能系统又称飞轮电池，是一种机—电能量转换与储存装置，其工作原理为： 电力电子变换装置从外部输入电能驱动电动机旋转，电动机带动飞轮旋转，飞轮储存动能（机械能），当外部负载需要能量时，用飞轮带动发电机旋转，将动能转化为电能，再通过电力电子变换装置变成负载所需要的各种频率、电压等级的电能，以满足不同的需求。

飞轮的储能密度与材料的抗拉强度成正比，与飞轮材料密度成反比。因此为了增加飞轮的储能密度应该选用高比强度（δ/ρ）的材料制作飞轮。其中储能密度值是计算的等厚圆盘飞轮的理论值。下表中可以看出，高强度钢和铝合金在抗拉强度和储能密度两个方面均不及复合材料，这也是早期飞轮储能技术难以取得突破进展的原因之一，复合材料在抗拉强度和储能密度方面表现出的优良特性使得复合材料成为制造飞轮转子的理想材料。

飞轮储能系统依靠飞轮转子的高速旋转来存储能量，从飞轮储能原理可知飞轮转速越高其存储的能量就越多。一般飞轮储能器多采用绕垂直轴旋转的结构形式，因为在地球重力场中，绕垂直轴旋转的飞轮储能器受地球重力场的影响较绕水平轴旋转的飞轮储能器小，而且绕垂直轴旋转的飞轮储能器的陀螺效应，更有利于飞轮储能器保持稳定的运转。

飞轮储能的容量是指其能量和功率两个技术指标。能量反映了飞轮存储的总动能，功率则与飞轮电机的电动/ 发电功率和负载相关。提高飞轮转子的转动惯量和转速均能提高飞轮的能量，转动惯量可以通过飞轮形状设计优化和增加质量得到提高，提高转速主要受到材料旋转强度的限制。中低速飞轮单机采用合金钢飞轮转子，工作转速在3000～8000 r/min之间，可以大型化来增加可用能量；目前中低速飞轮单机的功率在250~3000 kW之间，能量可达10～60 MJ。

对于工作转速9000r/min的飞轮采用3层复合材料缠绕设计，飞轮内半径430mm，各层厚度为125mm、115mm、130mm，径向应力在12.5MPa以下；工作转速15000r/min的飞轮采用4层复合材料缠绕设计，飞轮内半径280mm，各层厚度为74mm、72mm、75mm、79mm，径向应力在10.4MPa以下。两种设计均能满足储能量需求和结构强度要求，且充分利用各材料剩余强度，因为高模量纤维的价格数倍于高强纤维，采用3层复合材料设计的经济性更好。

轴承技术是储能飞轮研究的关键技术。由于储能飞轮的质量、转动惯量相对较大，转速很高，其陀螺效应十分明显，并存在过临界问题，因此对支承轴承提出了较高的要求。其中滚动轴承和滑动轴承常用作飞轮系统的保护轴承，陶瓷轴承和挤压油膜阻尼轴承在特定的飞轮系统中获得应用。

飞轮储能系统的结构主要由飞轮转子、支撑系统、动/发一体机、电力转换器、真空壳体等五部分组成。

早期的飞轮转子多使用钢或铝合金材料，这类转子具有重量大、转速慢、储能密度低等缺点。为了提高其性能，多以高性能连续纤维作为增强体，以树脂材料作为基体，采用预应力缠绕技术与多环过盈配合相结合的工艺制造出重量轻、储能密度大的复合材料飞轮转子。法国Socomec公司和美国Beacon Power公司生产的储能系统均采用了复合材料飞轮转子。为Beacon Power公司应用的大尺寸复合材料飞轮转子。

飞轮储能系统在运行过程中的最大转速不仅受自身材料限制，另外配套的支撑轴承系统的选取也会一定程度的影响运行效率。轴承系统是飞轮装置的支撑系统，飞轮储能系统的轴承支撑方式主要包括：机械轴承、被动磁轴承和主动磁轴承。当飞轮转子在高速旋转的时候，传统的机械轴承会消耗较多的能量，为了提高整个储能系统的效率，多采用磁轴承作为低能耗的支撑方式，但为了避免磁轴承失效对转子系统造成的损伤，多选用机械辅助轴承配合磁轴承的支撑方案。

动/发一体机是整个飞轮储能系统的核心动力源。机械能与电能之间的转换就是通过动/发一体机的相互转换实现的。使用动/发一体机可以大大提高整个系统的空间使用率，降低储能系统的总体重量。电机部分集成了电动机和发电机，是一种双向电机装置，可以正反向实现充/放电的功能。当系统处于充电状态时，飞轮的转速逐渐升高，最终达到最大旋转速度；反之，系统处于放电状态时，飞轮的转速随着系统放电逐渐下降。

电力转换器是储能飞轮系统中能量转换控制的关键部件，它具有调频、恒压、整流等功能。电力转化器主要是辅助电动/发电机进行动能和电能之间的相互转换过程。当系统需要储存电能时，其会将外部输送来的交流电通过AC/DC的方式供给电机，进而驱动飞轮旋转储能；当需要放电时，又会起到整流、调频、稳压的作用，以满足负载用电需求。

真空壳体是飞轮储能装置中的辅助系统。将高速旋转的飞轮转子至于真空状态下，主要是为了减少飞轮转子系统的风阻损耗。真空室主要的技术问题是如何长时间稳定保持真空状态，即密封状态的保持，这是真空室系统效率和核心影响参数。国际范围内最先进的真空系统可稳定到真空度为10-5量级。随着真空度的增加风阻损耗明显下降，但是在此环境下散热性能减弱，飞轮本体温度升高较快。英国研究人员已经验证了在低速运转条件下，氦气环境可以减少风阻损耗。

飞轮储能关键技术中最重要的两个因素是储能和减少损耗。为了提高飞轮转速，飞轮的材料与高速电机的选择尤其重要。使用真空室能大大减少飞轮与空气的摩擦损耗，使用磁轴承能够大大降低支承摩损并提高使用寿命。

飞轮的储能密度和飞轮能承受的强度会直接影响飞轮材料的选择。碳素纤维密度小，强度高，是其中最好的选择。同时，使用碳素纤维制成的飞轮一旦发生解体，飞轮本身会变成絮状物飞出，降低了事故带来的危害。

飞轮的转速决定了飞轮储能系统可以存储的最大能量，转子的最大转速越高，则其存储能量就越大。然而飞轮可以达到的最大转速又受到本身材料性能的限制，即转速过高可能引起转子出现裂缝等问题，从而造成安全事故。出于安全考虑，对飞轮转子的运行转速通常控制在一定的安全范围内，即转子存在最低转速（维持转动的最小速度）和最大转速，参数的具体选择与转子的结构和材料有关。

轴承系统具有减小运行过程中的摩擦和支撑作用，对轴承系统的设计和选择是除飞轮转子材料之外，影响飞轮运行转速和飞轮储能系统能量转换效率的另一重要因素。飞轮转速的大小，可以决定飞轮电池存储能量的多少，然而飞轮电池储能系统中飞轮所能达到的极限转速除与飞轮本身的属性有关外，还与支承轴承的选择有很大关系。因飞轮电池在能量保持模式时飞轮需要保持高速运转，这就需要轴承的摩擦损耗尽量小甚至为零，以减少能量损耗，从而提高系统的储能效率。轴承在承受飞轮本体重量的同时，还要承受飞轮转子在高速旋转时引起的离心力，这就要求支承轴承既要损耗少又要强度高。

电机系统具有电动机和发电机的双重属性，是完成飞轮储能充电和放电过程中不可或缺的关键装置。适用于飞轮储能系统的电机必须具备以下特性：电机可分别运行于电动机工况和发电机工况，实现能量双向转换；空载损耗低，电机效率高，保证飞轮储能系统长时运行、整体能量转换效率高；电机调速范围广，转速控制方式简单且可靠，满足飞轮储能系统运行转速工作范围；电机能量密度高，既能输出较大转矩，又能输出较大功率。

电能变换器可辅助电机实现能量在不同形式之间相互转换，起到控制电机旋转、充电、放电等作用。由于永磁电机输入输出频率随转速变化，而输入输出要求为稳定的直流或交流电，这就要求电力电子系统具备整流、逆变、滤波等多种功能，以保证高效驱动电机和稳定输出电能。

真空室与冷却系统在飞轮高速旋转的过程中，能量的损耗不仅包括机械摩擦损耗，还包括运行中的空气阻力摩擦损耗。为了尽可能减小空气阻力带来的风阻，通常需要将飞轮放入真空室内从而降低风阻，以保证设备的安全运行和减少事故的发生。因此，长时间稳定维持真空状态是真空室面临的主要技术问题。英国研究院的研究显示，在同等压力下，氦气的导热能力是空气的7倍，而产生的风阻仅有空气的1/7。在飞轮低速旋转条件下，使用氦气环境会有效平衡风阻损耗和散热性能，且人类对于氦气的使用经验相对丰富，选择氦气作为真空室的填充气体有着成本低、维护运行方便等优势。

飞轮储能系统在电池行业中的发展前景好，同时在很多方面具有现代化学电池难以做到的较高性能。飞轮储能主要具有以下优点：

飞轮储能系统已被应用于智能电网、交通运输、航空航天、UPS 电源、风力发电、大功率脉冲电源、能量回收等领域。

在智能电网领域，飞轮储能系统可以从电网中快速吸收和释放电力，因此，飞轮储能系统与电力系统相结合可以解决电网稳定性和电能质量问题，提供可靠的电力运行系统。采用飞轮储能系统在电网上进行大规模的储能应用已发展多年，如美国Beacon Power公司已经在马萨诸塞州建成了1 MW的调频电厂，且美国能源部又支持Beacon Power公司建设两个20 MW的飞轮储能电站。随着飞轮储能技术的进一步完善，它还可以被用于负荷中心的削峰填谷，提高电网的运行经济性。

在交通运输领域，用飞轮储能系统代替内燃机具有很好的前景，称之为车载飞轮电池。车载飞轮电池具有清洁无污染、充电快捷等优点。20世纪80年代初，瑞士研究出第一辆飞轮电池汽车的充电时间控制在2min中内。在这之后，美国的飞轮系统公司、罗森公司、得克萨斯州奥斯汀机电中心，英国的Flybird公司都投入研发力量进行车载飞轮储能系统的研究。90年代末，美国Texas大学将飞轮储能系统应用于军用车辆中，该系统可以间歇性的提供5MW的输出脉冲，连续输出功率为350kW，最小的空载损耗小于1000W，可以满足14-ton的军用侦查车辆的脉冲电力需求。

在航空航天领域，国际空间站的主要能量来源是太阳能，当月食出现时，飞轮储能系统仍然能够保障国际空间站的正常运行。与化学电池相比，飞轮储能系统在能量存储密度、存储效率、使用寿命以及航天器的小型化、轻量化等方面均具有明显的优势。以EOS-AMI型航天器为例，采用飞轮储能比采用NiH2电池的质量和体积分别减少了35%和55%。在20世纪90年代末，飞轮储能系统在地球轨道卫星储能与姿态控制等方面的应用也得到了飞速发展。

飞轮储能系统的快速充放电性能使其具有强大的瞬间断电保护能力。对于大型数据中心来说，飞轮UPS可以提供15～120s的保障时间，这个过程完全可以保证柴油发电机的正常启动，保持数据中心电源不间断。美国Active Power公司于2007年将飞轮储能技术运用在中国网通山西省通信公司太原市第二枢纽楼的UPS中日。在市电正常时，飞轮相当于一台低耗空载电动机，转速维持在7700dmin；当市电异常或停电时，飞轮系统能够瞬间供电。

在大功率脉冲电源方面，飞轮储能系统快速释放大电流的功能特性，使其完全可以作为大功率供电系统应用在这一领域。例如，美国的电磁炮就是采用飞轮储能系统结合补偿脉冲发电机来提高装置的功率密度和能量密度。此外，飞轮储能系统还可以应用在舰载机的电磁弹射、防空导弹的电磁弹射等设备中。

在风力发电、光伏发电等新能源方面，因为风/光发电自身的间歇性和波动性，并网后增大了电网的冲击，对电力系统的安全稳定运行造成了一定的影响。而飞轮储能系统作为一个可灵活调控的有功源，能稳定并网频率和电压，减小可再生能源的波动性，削峰填谷，降低对电网的冲击，有效地改善了可再生能源并网过程中产生的电能质量问题，确保了安全性和可靠性。美国的VistaEngineering Technologies将飞轮引入到风力发电系统，实现全程调峰，飞轮机组的发电功率为300kW。

在能量回收领域飞轮储能主要集中在新能源汽车和城市轨道交通等方面。由于车辆等设备反复启停会造成电能浪费、网压稳定性差等问题，降低了能源的使用效率。通过飞轮储能装置把这部分能量转化为动能存储起来，在需要的时候，输出到系统中，可以减少能量损失，提高能量的利用率。

飞轮储能系统技术门槛较高，复合材料结构技术、磁轴承技术、真空中的高速高效电机技术中仍然有一些亟待解决的问题。飞轮储能乃至整个储能领域还没有形成独立产业链，储能行业的商业化模式尚未完全成形。从飞轮储能技术的发展来看，中国企业基本掌握了合金飞轮技术，但在结构设计、复合材料转子飞轮等方面与国外相比有明显的差距。中国市场上飞轮储能应用大部分为试点产品，成熟运行产品较少，运行功率较低，后备时间极短，部分技术性能需要进一步完善。在系统容量、转换率、使用寿命、安全性等方面亟须创新和突破。同时，飞轮储能商业化还存在成本偏高、缺少价格激励政策、技术路线不够成熟、欠缺技术规范和接入标准等问题。

飞轮储能技术的未来研究重点将从列阵化、自动化、智能化、高性能、高稳定性等角度出发，主要包括以下几个方面：