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机械储能主要是指抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等，主要应用于调峰、调频、系统备用场合，适合大规模储能场景，但部分机械储能在工程实践中往往受到地理地质资源的限制。
抽水蓄能是目前技术最为成熟的储能技术。抽水蓄能电站通常由上水库、下水库和输水发电系统组成，上下水库之间存在一定的落差。电站利用电力负荷低谷时系统难以消耗的电能把下水库的水抽到上水库内，以水力势能的形式蓄能；在系统负荷高峰时段，再从上水库放水至下水库进行发电，将水力势能转换为需要的电能，为电网提供高峰电力。图1-2为抽水蓄能电站工作原理。因此，抽水蓄能电站不是真正意义上的发电电源，而是电力系统的能量转换器。在电力系统的负荷低谷，抽水蓄能电站可将电网的“低谷电能→电动机旋转机械能→水泵抽水→水力势能→水轮机旋转机械能→发电机组发电→高峰电能”，在负荷高峰通过输电线路发送至电网。在所有的储能技术中，抽水蓄能技术额定功率最高（可达2000MW），作用时长最长（可达数十小时）。
近年来，抽水蓄能技术出现了一些新的类型和发展趋势，包括海水抽水蓄能、分布式抽水蓄能等的出现，推动了技术的进一步提升。
压缩空气储能系统是基于燃气轮机技术发展起来的一种能量存储系统，工作原理如图1-3所示。空气经压缩机压缩后，在燃烧室中利用燃料燃烧加热升温，然后高温高压燃气进入透平膨胀做功。自1949年提出压缩空气储能技术以来，围绕提高效率和储能密度，先后发展出传统压缩空气储能、先进绝热压缩空气储能、深冷液化及超临界压缩空气储能等技术类型。
图1-2 抽水蓄能电站工作原理示意图
图1-3 压缩空气储能工作原理示意图
近年来，国内外学者相继提出了带回热的压缩空气储能、液态压缩空气储能和超临界压缩空气储能等多种新型压缩空气储能技术，摆脱了对化石燃料和地下洞穴等资源条件的限制，不过目前基本还处于关键技术研究突破、实验室样机或小容量示范阶段。
压缩空气储能具有规模大、寿命长、运行维护费用低等优点。目前传统使用天然气并利用地下洞穴的压缩空气储能技术已经比较成熟，但其应用需要特殊的地理条件和化石燃料。新型地上压缩空气储能还存在效率偏低、响应速度慢、各设备和子系统协调控制复杂等问题。
压缩空气储能的额定功率可以达到300MW，工作时长可达数十小时。近年来，以深冷液化压缩空气储能等为代表的一些新技术推动了压缩空气储能技术不断发展，效率和技术经济性进一步提升，但总体来说，技术尚处于起步阶段。
飞轮储能系统通过加速转子（飞轮）至极高速度的方式，将能量以旋转动能的形式存储于系统中。当释放能量时，根据能量守恒原理，飞轮的旋转速度会降低；而向系统中存储能量时，飞轮的旋转速度则会相应地升高。飞轮储能内部结构如图1-4所示。
图1-4 飞轮储能内部结构示意图
飞轮储能具有功率密度高、使用寿命长和对环境友好等优点，其缺点主要是储能密度低和自放电率较高，目前主要用于电能质量改善、不间断电源等应用场合。飞轮储能作为高功率储能形式，适用于备用电源和电能质量调节方面，但目前技术还处于研发初期，系统成本较高。