随着能源和环境问题的日益严峻,新能源的研究越来越受到各国的关注和重视。风能是无污染的可再生能源,也是地球上最古老的能源之一,具有蕴藏量大,分布广的优点。降低风力发电成本对现代风力机提出高性能的要求,针对这一问题,本文以风力机专用翼型参数化设计为基础,提出了一种风力机翼型、叶片以及聚能装置协同设计的方法,并系统研究了风力机的参数化表达、设计与分析理论。为实现风力机叶片的三维参数化设计与建模,建立了包含风力机翼型轮廓线以及弦长分布和扭角分布的混合参数化数学模型。综合翼型集成参数化理论与Bezier曲线拟合的混合建模方法,以拟合标准差最小为目标,对风力机翼型形状函参数的最优值进行了迭代求解,同时对弦长分布和扭角分布进行了修正和参数化表达,从而获得了更加光顺的风力机叶片外形。以某小型风力机叶片为例,通过用58个控制参数进行参数化建模,对应参数化表达的拟合风力机叶片在功率、载荷和噪声等变化曲线与原风力机吻合一致,符合收敛的精度的要求,为风力机叶片三维协同参数化设计提供了理论基础。为了得到拥有优良气动特性且低噪声水平的风力机专用翼型的轮廓线,提出了翼型多工况点多目标综合优化设计方法。基于叶片不同部位对翼型的特殊要求,建立了各自优化命题和求解方法,为低风速风场工况下的小型风力机叶片设计了一套具有高气动性能、低噪声水平的风力机专用翼型族。提高风力机功率系数是降低风力机发电成本的关键技术,为此提出了一种聚能风力机构型设计及其运行特性的优化设计方法。基于扩散器计算流体力学模型和叶素动量理论,推导了传统风力机与聚能风力机统一的气动性能计算模型。通过翼型、扩散器装置、叶片数和桨距角的协同优化配置得到了一种小型高效的聚能风力机叶片。与同等尺寸的传统风力机叶片对比,优化得到的聚能风力机的启动风速得到了有效降低,且年发电量为原风力机的1.96倍。