指利用電動機帶動飛輪高速旋轉，將電能轉化成動能儲存起來，在需要的時候再用飛輪帶動發電機發電的儲能方式。飛輪儲能系統主要包括轉子系統、軸承系統和轉換能量系統三個部分構成。另外還有一些支持系統， 如真空、深冷、外殼和控制系統。基本結構如圖所示。

飛輪儲能裝置中有一個內置電機，它既是電動機也是發電機。在充電時，它作為電動機給飛輪加速；當放電時，它又作為發電機給外設供電，此時飛輪的轉速不斷下降；而當飛輪空閑運轉時，整個裝置則以最小損耗運行。

飛輪儲能器中沒有任何化學活性物質，也沒有任何化學反應發生。旋轉時的飛輪是純粹的機械運動，飛輪在轉動時的動能為：E =1/2Jω^2

式中： J為飛輪的轉動慣量，ω為飛輪旋轉的角速度。

由于在實際工作中，飛輪的轉速可達40000～500000r/min，一般金屬制成的飛輪無法承受這樣高的轉速，所以飛輪一般都采用碳纖維制成，既輕又強，進一步減少了整個系統的重量，同時，為了減少充放電過程中的能量損耗（主要是摩擦力損耗），電機和飛輪都使用磁軸承，使其懸浮，以減少機械摩擦；同時將飛輪和電機放置在真空容器中，以減少空氣摩擦。這樣飛輪電池的凈效率（輸入輸出）可以達到95%左右。

二、國內外飛輪儲能系統研究的現狀、發展及未來

飛輪電池是90年代提出的新概念電池，它突破了化學電池的局限，用物理方法實現儲能，由于是電能和機械能的相互轉化，不會造成污染。 飛輪儲能電池最初只是想將其應用在電動汽車上，但限于當時的技術水平，并沒有得到發展。直到上世紀90年代由于電路拓撲思想的發展，碳纖維材料的廣泛應用，以及全世界范圍對污染的重視，這種新型電池又得到了高速發展，并且伴隨著磁軸承技術的發展，這種電池顯示出更加廣闊的應用前景，現正迅速地從實驗室走向社會。