飛輪儲能（FES）通過將轉子（飛輪）加速到非常高的速度并將系統中的能量保持為旋轉能量來工作。當從系統中提取能量時，由于能量守恒原理，飛輪的轉速會降低；向系統增加能量相應地導致飛輪速度的增加。大多數飛輪儲能系統使用電力來加速和減速飛輪，但正在開發直接使用機械能的設備。先進的飛輪儲能系統具有由高強度碳纖維復合材料制成的轉子，由磁性軸承懸掛，并在真空外殼中以20,000到50,000rpm以上的速度旋轉。這種飛輪可以在幾分鐘內達到速度——比其他一些存儲形式更快地達到其能量容量。

一個典型的系統包括一個飛輪，該飛輪由連接到電動發電機的滾動軸承支撐。飛輪和有時電動發電機可能被封閉在真空室中，以減少摩擦和能量損失。xxx代飛輪儲能系統使用在機械軸承上旋轉的大型鋼制飛輪。較新的系統使用碳纖維復合材料轉子，其抗拉強度高于鋼，并且可以在相同質量的情況下儲存更多能量。為了減少摩擦，有時使用磁軸承代替機械軸承。

制冷的費用導致早期淘汰用于磁軸承的低溫超導體。然而，高溫超導體(HTSC)軸承可能是經濟的，并且可能會延長能源的經濟儲存時間。混合軸承系統最有可能首先得到使用。高溫超導軸承歷來在提供較大設計所需的提升力方面存在問題，但很容易提供穩定力。因此，在混合軸承中，永磁體支撐負載并使用高溫超導體來穩定負載。超導體能夠很好地穩定負載的原因是它們是完美的抗磁體。如果轉子試圖偏離中心漂移，則由于磁通釘扎產生的恢復力會將其恢復。這被稱為軸承的磁剛度。由于低剛度和阻尼會發生旋轉軸振動，這是超導磁體的固有問題，阻礙了在飛輪應用中使用完全超導磁軸承。由于助焊劑釘扎是提供穩定和提升力的重要因素，因此HTSC可以更容易地用于FES，而不是用于其他用途。只要助焊劑釘扎強，HTSC粉末可以形成任意形狀。在超導體能夠為FES系統提供全部升力之前，必須克服的一個持續挑戰是找到一種方法來抑制由超導材料的通量蠕變引起的懸浮力降低和轉子在運行期間逐漸下降的情況。

與其他儲存電力的方式相比，FES系統具有較長的使用壽命（持續數十年，幾乎不需要維護；引用的飛輪的全周期壽命范圍從超過105次到107次使用周期）、高比能量（100–130W·h/kg，或360–500kJ/kg)，xxx功率輸出大。飛輪的能量效率（能量輸出/能量輸入的比率），也稱為往返效率，可高達90%。典型容量范圍為3kWh至133kWh。系統的快速充電可在15分鐘內完成。飛輪經常引用的高比能可能有點誤導，因為建造的商業系統具有低得多的比能，例如11W·h/kg或40kJ/kg。

對于能量存儲，具有高強度和低密度的材料是可取的。出于這個原因，復合材料經常用于先進的飛輪。材料的強度密度比可以用Wh/kg（或Nm/kg）表示；某些復合材料可以達到大于400Wh/kg的值。

幾種現代飛輪轉子由復合材料制成。例如，BeaconPowerCorporation的碳纖維復合材料飛輪和PhillipsServiceIndustries的PowerThru飛輪。或者，Calnetix在其飛輪結構中使用航空級高性能鋼。對于這些轉子，材料特性、幾何形狀和能量密度之間的關系可以通過使用加權平均方法來表示。

飛輪設計的主要限制之一是轉子的抗拉強度。一般來說，光盤越堅固，它旋轉的速度就越快，系統可以存儲的能量就越多。（在沒有相應增加強度的情況下使飛輪變重會減慢飛輪在不破裂的情況下可以旋轉的xxx速度，因此不會增加飛輪可以存儲的總能量。）當復合材料飛輪外結合套的抗拉強度超過時，結合套會斷裂，飛輪會隨著外輪在整個圓周上的壓縮損失而破碎，將其儲存的能量一次性釋放出來；這通常被稱為飛輪爆炸，因為車輪碎片可以達到與子彈相當的動能。分層纏繞粘合的復合材料往往會快速分解，首先變成相互纏繞和減速的小直徑細絲，然后變成熾熱的粉末；鑄造金屬飛輪拋出大塊高速彈片。對于鑄造金屬飛輪，失效極限是多晶模制金屬晶界的結合強度。鋁尤其容易疲勞，并且會因反復低能拉伸而產生微裂縫。角力可能導致金屬飛輪的一部分向外彎曲并開始在外部安全殼上拖曳，或者完全分離并在內部隨機彈跳。飛輪的其余部分現在嚴重不平衡，這可能導致軸承因振動而迅速失效，以及飛輪的大段突然沖擊斷裂。傳統的飛輪系統需要堅固的安全殼作為安全預防措施，這會增加設備的總質量。失效時釋放的能量可以用凝膠狀或封裝的液體內襯來抑制，它會沸騰并吸收破壞的能量。盡管如此，許多大型飛輪儲能系統的客戶還是更愿意將它們嵌入地下，以阻止任何可能從安全殼逃逸的物質。

使用機械軸承的飛輪儲能系統可以在兩小時內損失20%到50%的能量。造成這種能量損失的大部分摩擦力是由于地球自轉導致飛輪改變方向（類似于傅科擺所示的效果）。飛輪的角動量施加的陀螺力會阻止這種方向變化，從而對機械軸承施加力。這種力會增加摩擦力。這可以通過將飛輪的旋轉軸與地球的旋轉軸平行對齊來避免。相反，帶有磁軸承和高真空的飛輪可以保持97%的機械效率和85%的往返效率。

在車輛中使用時，飛輪也可以用作陀螺儀，因為它們的角動量通常與作用在移動車輛上的力具有相似的數量級。當轉彎或在崎嶇不平的地面上行駛時，該特性可能會損害車輛的操控特性；在傾斜的路基一側行駛可能會導致車輪部分抬離地面，因為飛輪會抵抗側向傾斜力。另一方面，這個特性可以用來保持汽車平衡，以防止它在急轉彎時翻車。當飛輪完全用于影響車輛的姿態而不是用于能量存儲時，它被稱為反作用輪或控制力矩陀螺儀。通過將飛輪安裝在一組適當應用的萬向節中，幾乎可以完全消除角度傾斜的阻力，使飛輪保持其原始方向而不影響車輛（參見陀螺儀的屬性）。這并不能避免云臺鎖定的復雜性，因此需要在云臺數量和角度自由度之間進行折衷。飛輪的中心軸充當單個萬向節，如果垂直對齊，則允許在水平面上進行360度偏航。但是，例如上坡行駛需要第二個俯仰云臺，而在斜坡路堤一側行駛則需要第三個滾動云臺。

雖然飛輪本身可以是扁平的環形，但安裝在車輛內部的自由運動萬向節需要一個球形體積，以便飛輪在其中自由旋轉。任由其自己，車輛中的旋轉飛輪將隨著地球的自轉而緩慢進動，并且在在地球彎曲的球面上長距離行駛的車輛中進動更遠。全動萬向架還有其他問題，即如何將動力輸入和輸出飛輪，因為飛輪可能每天完全翻轉一次，隨著地球旋轉而進動。完全自由旋轉將需要圍繞每個萬向節軸的滑環用于電力導體，進一步增加了設計的復雜性。

為減少空間使用，云臺系統可采用限動設計，在一定度數的平面外角旋轉內使用減震器來緩沖突然的快速運動，然后逐漸迫使飛輪采用車輛的當前方向。這將環形飛輪周圍的萬向節運動空間從一個完整的球體減少到一個短的加厚圓柱體，包括飛輪周圍所有方向的例如±30度的俯仰和±30度的滾動。

該問題的另一種解決方案是使兩個連接的飛輪沿相反方向同步旋轉。它們的總角動量為零，沒有陀螺效應。這種解決方案的一個問題是，當每個飛輪的動量之差不為零時，兩個飛輪的外殼會產生扭矩。兩個輪子必須保持相同的速度以保持角速度為零。嚴格來說，兩個飛輪會在中心點施加一個巨大的扭矩，試圖彎曲車軸。但是，如果軸足夠強，則不會有陀螺力對密封容器產生凈影響，因此不會注意到扭矩。為了進一步平衡力和分散應變，單個大飛輪可以通過每側兩個半尺寸飛輪來平衡，或者可以將飛輪的尺寸減小為一系列交替旋轉的相反方向的層。然而，這增加了外殼和軸承的復雜性。

在1950年代，飛輪驅動的公共汽車，稱為陀螺巴士，在Yverdon（瑞士）和根特（比利時）使用，并且正在進行研究以制造更小、更輕、更便宜且容量更大的飛輪系統。希望飛輪系統可以取代傳統的化學電池用于移動應用，例如電動汽車。提出的飛輪系統將消除現有電池動力系統的許多缺點，例如容量低、充電時間長、重量大和使用壽命短。飛輪可能已用于實驗性克萊斯勒愛國者，盡管這一直存在爭議。飛輪也被提議用于無級變速器。PunchPowertrain目前正在開發這種設備。在1990年代，RosenMotors開發了一種燃氣渦輪驅動的串聯混合動力汽車動力系統，該動力系統使用55,000rpm的飛輪來提供小型燃氣渦輪發動機無法提供的加速爆發。飛輪還通過再生制動存儲能量。飛輪由帶有碳纖維氣缸的鈦輪轂組成，并安裝在萬向節上，以xxx限度地減少陀螺儀對車輛操縱的不利影響。原型車于1997年成功進行了道路測試，但從未量產。2013年，沃爾沃宣布在其S60轎車的后橋上安裝飛輪系統。制動動作使飛輪以高達60,000rpm的速度旋轉并停止前置發動機。飛輪能量通過特殊的傳動裝置施加，為車輛提供部分或全部動力。20厘米（7.9英寸）、6公斤（13磅）的碳纖維飛輪在真空中旋轉以消除摩擦。與四缸發動機配合使用時，與性能相當的渦輪六缸發動機相比，它可將油耗降低多達25%，提供80馬力（60千瓦）的增壓，并使其達到每小時100公里（62英里/小時）)在5.5秒內。該公司沒有宣布將該技術納入其產品線的具體計劃。2014年7月，GKN收購了WilliamsHybridPower(WHP)部門，并打算在未來兩年內向城市公交運營商提供500套碳纖維Gyrodrive電動飛輪系統正如前開發商名稱所暗示的那樣，這些系統最初是為一級方程式賽車應用而設計的。2014年9月，牛津巴士公司宣布將在其布魯克斯巴士運營中引入14輛由AlexanderDennis設計的Gyrodrive混合動力巴士。

飛輪系統已在小型電力機車中試驗性地用于分流或切換，例如Sentinel-Oerlikon陀螺機車。較大的電力機車，例如英國鐵路70級，有時會配備飛輪助推器，以將它們運過第三條鐵軌的間隙。先進的飛輪，例如德克薩斯大學奧斯汀分校的133kWh組，可以讓火車從靜止啟動到巡航速度。ParryPeopleMover是一種由飛輪驅動的軌道車。它于2006年和2007年在英格蘭西米德蘭茲郡的斯托布里奇鎮支線于周日進行了為期12個月的試驗，并打算在訂購兩臺機組后于2008年12月由火車運營商倫敦米德蘭郡作為一項全面服務推出。2010年1月，兩臺機組均投入運行。

FES可用于電氣化鐵路的線路側，以幫助調節線路電壓，從而提高未改裝電動火車的加速度和再生制動期間回收回線路的能量，從而降低能源費用。試驗已在倫敦、紐約、里昂和東京進行，紐約MTA的長島鐵路目前正在投資520萬美元在LIRR的西亨普斯特德支線的試點項目中。這些試驗和系統將動能存儲在轉子中，轉子由碳玻璃復合圓柱體組成，圓柱體中填充有形成永磁體的釹鐵硼粉末。這些旋轉速度高達37800轉/分鐘，每個100千瓦的單元可以存儲11兆焦耳（3.1千瓦時）的可重復使用能量，大約足以將200公噸的重量從零加速到38公里/小時。

截至2001年生產的飛輪儲能系統具有與電池相當的存儲容量和更快的放電速率。它們主要用于為大型電池系統提供負載均衡，例如為數據中心提供不間斷電源，因為它們與電池系統相比可以節省大量空間。一般來說，飛輪維護的成本約為傳統電池UPS系統的一半。xxx的維護是基本的年度預防性維護例行程序，每五到十年更換一次軸承，大約需要四個小時。較新的飛輪系統使用免維護磁軸承完全懸浮旋轉質量，從而消除機械軸承維護和故障。完全安裝的飛輪UPS（包括電源調節）的成本（2009年）約為每千瓦330美元（15秒滿載容量）。

飛輪動力系統長期存在的利基市場是測試斷路器和類似設備的設施：即使是小型家用斷路器也可能額定中斷10000或更多安培的電流，而較大的單元可能具有100000或更大的中斷額定值1000000安培。如果這些測試是直接從建筑電源中進行的，那么故意強制此類設備展示其中斷模擬短路的能力所產生的巨大瞬態負載將對當地電網產生不可接受的影響。通常，這樣的實驗室會有幾臺大型電動發電機組，它們可以在幾分鐘內加速運轉；然后在測試斷路器之前斷開電機。

托卡馬克聚變實驗需要在短時間內使用非常高的電流（主要是為大型電磁體供電幾秒鐘）。

• JET（聯合歐洲圓環）有兩個775噸的飛輪（安裝于1981年），轉速高達225rpm。每個飛輪可存儲3.75GJ，最高可輸送400MW。
• 威斯康星大學麥迪遜分校的螺旋對稱實驗有18個重達1噸的飛輪，使用改造后的電動火車電機將其旋轉到10,000rpm。
• ASDEX升級版有3個飛輪發電機。
• DIII-D（托卡馬克）和通用原子
• 普林斯頓等離子體物理實驗室的普林斯頓大環面(PLT)

非托卡馬克裝置：盧瑟福阿普爾頓實驗室的Nimrod同步加速器也有兩個30噸的飛輪。

GeraldR.Ford級航空母艦將使用飛輪從艦載電源中收集能量，以便快速釋放到電磁飛機發射系統中。艦載電源系統無法單獨提供發射飛機所需的高功率瞬變。四個轉子中的每一個都將在6400rpm時存儲121MJ(34kWh)。它們可以在45秒內儲存122MJ(34kWh)并在2-3秒內釋放。飛輪能量密度為28kJ/kg（8W·h/kg）；包括定子和外殼，不包括扭矩框架，這降至18.1kJ/kg(5W·h/kg)。

這是由美國宇航局格倫研究中心資助的設計，旨在用于實驗室環境中的組件測試。它使用帶有鈦輪轂的碳纖維輪輞，設計為以60,000rpm的速度旋轉，安裝在磁性軸承上。重量限制在250磅。存儲容量為525W-hr(1.89MJ)，可在1kW下充電或放電，這意味著比能為5.31W-hr/kg，功率密度為10.11W/kg。頁面頂部照片中顯示的工作模型在2004年9月2日以41,000rpm的速度運行。

位于Knott'sBerryFarm的Montezooma'sRevenge過山車是世界上xxx個飛輪發射的過山車，也是目前仍在美國運營的最后一個此類過山車。這次騎行使用一個7.6噸的飛輪在4.5秒內將火車加速到每小時55英里（89公里/小時）。環球冒險島的不可思議的綠巨人過山車具有快速加速的上坡發射，而不是典型的重力下降。這是通過強大的牽引電機實現的，該電機將汽車推向軌道。為了實現將過山車列車加速到全速上坡所需的短暫非常高的電流，公園使用了幾臺帶有大飛輪的電動發電機組。如果沒有這些儲能裝置，公園將不得不投資新的變電站，否則每次騎行啟動時都會冒著使當地電網斷電的風險。

飛輪儲能系統(FESS)可用于從并網能源管理到不間斷電源的各種應用。隨著技術的進步，FESS的應用也出現了快速的革新。示例包括高功率武器、飛機動力系統和艦載動力系統，其中系統需要在幾秒甚至幾毫秒的短時間內提供非常高的功率。補償脈沖交流發電機（compulsator）由于其高能量密度和功率密度，是聚變反應堆、高功率脈沖激光器和超高速電磁發射器的脈沖電源最受歡迎的選擇之一，通常是為FESS設計的。脈沖發生器（低電感交流發電機）的作用類似于電容器，它們可以旋轉起來為軌道炮和激光提供脈沖功率。沒有單獨的飛輪和發電機，只有交流發電機的大轉子儲存能量。另見單極發生器。

使用無級變速器(CVT)，在制動期間從傳動系統中回收能量并存儲在飛輪中。然后通過改變CVT的比率在加速期間使用該存儲的能量。在賽車運動應用中，這種能量用于提高加速度而不是減少二氧化碳排放——盡管同樣的技術可以應用于公路汽車以提高燃油效率。汽車俱樂部del'Ouest是一年一度的勒芒24小時耐力賽和勒芒系列賽的組織者，目前正在研究將配備動能回收系統的LMP1的具體規則。WilliamsF1Racing車隊的子公司WilliamsHybridPower為保時捷和奧迪提供了基于飛輪的混合動力系統，用于保時捷的911GT3RHybrid和奧迪的R18e-TronQuattro。奧迪在2012年勒芒24小時耐力賽中的勝利是混合動力（柴油-電動）汽車的xxx場勝利。

飛輪有時用作短期旋轉備用，用于瞬時電網頻率調節和平衡供需之間的突然變化。沒有碳排放、更快的響應時間和在非高峰時間購買電力的能力是使用飛輪而不是天然氣渦輪機等傳統能源的優勢之一。操作與同一應用中的電池非常相似，它們的區別主要是經濟上的。BeaconPower于2014年在賓夕法尼亞州HazleTownship使用200個飛輪和類似的20MW系統，于2011年在紐約斯蒂芬敦開設了一個5MWh（20MW超過15分鐘）的飛輪儲能工廠。位于加拿大安大略省明托市的0.5MWh（2兆瓦，15分鐘）飛輪存儲設施于2014年投入使用。飛輪系統（由NRStor開發）在磁軸承上使用10個旋轉鋼飛輪。

飛輪可用于在非高峰期或高風速期間存儲風力渦輪機產生的能量。2010年，BeaconPower開始在加利福尼亞州Tehachapi的一個風電場測試他們的SmartEnergy25(Gen4)飛輪儲能系統。該系統是為加州能源委員會進行的風能/飛輪示范項目的一部分。

用于為許多玩具汽車、卡車、火車、動作玩具等提供動力的摩擦電機是簡單的飛輪電機。

在工業中，肘桿式壓力機仍然很受歡迎。通常的布置包括一個非常堅固的曲軸和一個驅動壓力機的重型連桿。大而重的飛輪由電動機驅動，但飛輪僅在離合器啟動時才轉動曲軸。

飛輪不受溫度變化的不利影響，可以在更寬的溫度范圍內運行，并且不會受到化學充電電池的許多常見故障的影響。它們對環境的潛在破壞也較小，主要由惰性或良性材料制成。飛輪的另一個優點是，通過簡單地測量轉速，就可以知道儲存的確切能量。與大多數只能在有限時間內運行的電池不同（例如，鋰離子聚合物電池大約為36個月），飛輪可能具有無限的工作壽命。作為詹姆斯瓦特蒸汽機的一部分制造的飛輪已經連續工作了兩百多年。在非洲、亞洲和歐洲的許多地方都可以找到主要用于銑削和陶器的古代飛輪的工作示例。大多數現代飛輪通常是密封裝置，在其整個使用壽命期間需要最少的維護。真空外殼中的磁性軸承飛輪，例如上面描述的NASA模型，不需要任何軸承維護，因此在總壽命和能量存儲容量方面都優于電池。由于磨損，帶有機械軸承的飛輪系統的使用壽命有限。高性能飛輪可能會爆炸，用高速彈片殺死旁觀者。雖然電池會著火并釋放毒素，但旁觀者通常有時間逃離并避免受傷。電池的物理布置可以設計成與多種配置相匹配，而飛輪至少必須占據一定的面積??和體積，因為它存儲的能量與其角質量和轉速的平方成正比。隨著飛輪變小，它的質量也會減少，因此速度必須增加，因此材料上的應力也會增加。在尺寸受到限制的情況下（例如在火車底盤下），飛輪可能不是可行的解決方案。