美国能源部（DOE）的太阳能技术办公室（SETO）发起了一项新的奖项竞赛，以帮助实现美国最近宣布的“水安全大挑战”的目标。
美国制造的挑战：“太阳能海水淡化奖（Solar Desal）”是一个多阶段的奖项竞赛，旨在加速开发低成本的海水淡化系统，该系统使用太阳热能来从盐水中生产干净的饮用水。比赛的每个阶段将增加奖金额，总计达数百万美元。
“太阳能海水淡化奖”分为四个阶段，奖金为900万美元，另外提供100万美元的支持，旨在加速采用太阳能热发电的海水淡化系统的低成本发展，这些系统利用太阳热能从中获得清洁水。参赛者在竞赛的各个阶段都将获得现金奖励，成功测试和示范的、有前途的太阳能热淡化系统原型最终将获得100万美元的大奖。
该奖项于2019年9月23日宣布，2020年4月28日启动。参赛者可以个人或团队的形式参加比赛，但所有晋级到第一阶段的选手都必须组成团队。参赛选手包括私人公司、非营利组织、学术机构，学生和国家实验室的研究人员。
参赛者及参赛技术项目
2020年10月19日，主办方宣布在162名申请者中，来自12个州的19名四分之一决赛入围者被选入比赛的第二阶段。他们是：
▲ 用于24小时太阳能海水淡化的储热
地点：加利福尼亚州阿卡迪亚
项目摘要：Element 16是一家小型公司，致力于开发基于硫的热能存储（TES）技术，以产生用于脱盐的低压蒸汽。硫的熔点低（105摄氏度），成本低（$ 80/吨）。通过使用低成本的围护材料，该项目旨在将硫储热成本降低至每千瓦热量15美元以下，并降低热交换器成本，以使水的平均成本降低至每立方米0.50美元以下。
▲ 太阳热强化蒸发
地点：明尼苏达州明尼阿波利斯
项目摘要：明尼苏达大学的研究人员提出了一种加湿/除湿脱盐系统，该系统可处理工业设施中的少量盐水，这些盐水可用于电镀，将金属涂覆到表面，进行染色和采矿等工作。该项目将使用大型风扇，蒸发器和热泵驱动的冷凝系统来管理与工业金属混合的盐水。该团队计划在工业上采购强制流式蒸发器和风扇，以使水的平均成本不超过1美元/立方米。
▲ NoAir：超真空间隙纳米膜蒸馏
地点：佛罗里达州盖恩斯维尔
项目摘要：由小型公司Focused Sun领导的这个团队提出了一种线性菲涅尔太阳能集热器系统，该系统将为称为热蒸气压缩（TVC）的过程产生蒸汽，从而为该系统提供抽水动力。盐水将通过膜脱盐（MD）系统进行预热，然后再从TVC系统中加入盐水，以进一步脱盐并回收水。该MD-TVC系统可在低压下实现高能效，并且无需电即可用于处理从石油和天然气提取中提取的水。
▲ TSSE淡化高盐盐水
地点：加利福尼亚州圣巴巴拉
项目摘要：哥伦比亚大学领导的团队提出了一种使用溶剂的脱盐技术，该溶剂在加热时会吸收高盐度水中的盐水，并将其与淡水分离。给水温度的升高将导致净水漂浮在溶剂上方，从而能够在随后的循环中重新使用溶剂。与传统的脱盐系统不同，此方法具有很高的热效率，因为它不需要蒸发和冷凝。
▲ 基于吸附的ZLD技术
地点：密歇根州霍顿
项目摘要：来自密歇根理工大学橡树岭国家实验室和Artic Solar公司的一组研究人员提议在多效脱盐系统（MED）上增加一个吸附-解吸系统，以实现零液体排放（ZLD）。他们确定了一种可以从MED系统的盐水中提取所有水蒸气量的液体，从而实现了节能的、模块化的ZLD处理。
▲ ZLD便携式石油/天然气废水处理
地点：俄勒冈州科瓦利斯
项目摘要：来自俄勒冈州立大学和密歇根州立大学的研究人员小组计划推进加湿-除湿工艺，该工艺可以从油气提取产生的水中回收清洁水。一种新型的旋风分离器，可以很容易地进行小规模设计，便于携带，可以将盐从潮湿的空气中分离出来，并可以进行处理。通过将湿空气与固体盐颗粒分离，该技术可能是实现零液体排放（ZLD）的经济有效的方法。该团队打算用集成了太阳能集热系统的实际采出盐水来示范他们的系统，并且每小时可以增加250公斤的规模。
▲ 正渗透-仿生工作
地点：加利福尼亚州罗纳特公园
项目摘要：该团队的研究人员来自夏威夷自然能源实验室和Trevi Systems，这是一家开发新型正向渗透（FO）淡化技术的小公司，提议建立一个以太阳能集热器为热源的500立方米/天的 FO系统。该团队将通过显着提高吞吐量和降低系统的能源需求来推进其FO牵引解决方案。
▲ STREED-共振能量交换淡化
地点：德克萨斯州休斯顿
项目摘要：由莱斯大学的研究人员领导的团队开发了基于纳米颗粒的高效，低维护的太阳能加热膜蒸馏技术的原型。该小组计划开发一种可商业化的系统设计，该设计使用螺旋缠绕式架构来最大程度地减少工厂的物理足迹。
▲ 零排放多效吸附蒸馏器
地点：新泽西州特伦顿
项目摘要：GreenBlu将使用其多效吸附蒸馏技术开发零液体排放太阳能热脱盐系统的全厂原型，该系统可进行矿物回收。与传统的蒸馏技术相比，该概念具有更高的热效率，并且需要更简单的操作和维护。
▲ 模块化廉价的太阳能热蒸发干燥系统
所在地：马萨诸塞州安多佛
项目摘要：Physical Sciences公司建议在一个设备中集成低浓度太阳能吸热器和多级闪蒸器，以降低投资成本。蒸发器通过组合多个蒸馏阶段有效地蒸馏水，因此每个蒸发器都利用前一阶段的热量输出。蒸发器在低温下运行，这允许使用低成本的圆柱形光学器件。该小组打算在圆柱管接收器内建造一个20级多级闪蒸装置，以生产100立方米/天的淡化水。
▲ Solar Aqua Flex：离网太阳能蒸馏器
地点：田纳西州纳什维尔
项目摘要：由范德比尔特大学的研究人员领导的这个团队将开发一种多级膜蒸馏系统，该系统由漂浮的，柔性的，分层的“垫子”制成，以淡化水。垫子具有无孔的吸热顶层；蒸发的水层；馏出物层，其中蒸汽在通过膜后凝结而结露；给水层；导电层加热给水。该概念具有模块化和便携式的潜力，并且比类似的现有系统具有更高的产量。
▲ 可管理盐沉淀物的盐浓度
地点：新泽西州合和
项目摘要：由AIL Research领导的这个团队提出了一种膜淡化系统，该系统能够处理极高盐度的水，并利用回收的热量预热盐水。膜将不必具有耐腐蚀性，因为容易沉淀的离子（例如镁和钙）会在膜上方的盐水槽中过饱和并结晶。管理盐的沉淀并利用回收的热量可以从高盐度盐水中回收更多的水。
▲ 城市太阳能海水淡化建筑
地点：马里兰州大学公园
项目摘要：由马里兰大学能源环境工程中心领导的团队将为城市地区开发一种垂直的，建筑物集成的海水淡化系统。太阳能集热器将成为加热系统中多级真空膜的能源。该概念具有在使用时非集中化海水淡化的潜力。
▲ 使用陶瓷膜的膜蒸馏
地点：斯托尔斯，CT
项目摘要：该团队由康涅狄格大学的研究人员领导，将整合由SETO资助的新开发的陶瓷膜技术与太阳能集热器系统，以处理高盐度或化学复杂的盐水。陶瓷膜具有热稳定性和化学稳定性，使其能够处理具有挑战性的盐水。
▲ 使用流动的液珠模拟雨周期
地点：加利福尼亚州洛杉矶
项目摘要：该团队由来自加利福尼亚大学洛杉矶分校的研究人员领导，正在开发一种加湿-除湿工艺，以降低制造高表面积组件的成本。通过在除湿过程中使用低成本的聚合物串结构，该团队期望高盐度水具有成本效益，能源效率的脱盐能力。
▲ 从盐水中提取可切换的溶剂水
地点：加利福尼亚州罗纳特公园
项目摘要：由爱达荷州国家实验室和Trevi Systems的研究人员组成的团队正在开发一种太阳能热驱动的液/液萃取工艺，该工艺可去除盐水中的“硬”离子（如钙和镁），以进行反渗透，这是传统的脱盐工艺。通过允许该方法在较宽的盐水输入条件下运行，并且需要较少的维护以除去由硬离子引起的水垢，该方法可以提高反渗透的效率。
▲ X-VAP：独立蒸馏
地点：德克萨斯州休斯顿
项目摘要：卡茨水技术公司正在重新设计其独立的紧凑型蒸馏系统，以使用太阳热能代替天然气。该系统在闭环热交换器中蒸馏和分离纯净水。该技术有可能成为模块化的便携式系统，可以在需要时提供淡水。
▲ CCR的LTDis技术
地点：德克萨斯州弗里斯科
项目摘要：Crystal Clearwater Resources正在开发其“ LTDis”蒸发器技术，该技术可以利用太阳热能来处理具有挑战性的废物流并实现零液体排放。该概念使用基于喷雾的蒸发和冷凝室，在传统的多效淡化厂中用管子（用于冷凝和蒸发的表面）代替级台。真空室内喷雾的直接蒸发和冷凝消除了腐蚀问题，并降低了容器的尺寸和成本。
▲ 100%太阳跨临界水脱盐
地点：宾夕法尼亚州匹兹堡
项目摘要：Epiphany太阳能水系统公司开发了一种水脱盐和结晶器装置，该装置利用太阳热能通过充分提高温度和压力使水过渡到超临界相（盐不溶于其中）来使水脱盐。完全集成的系统将使用太阳能集热器提供的热量，从超临界水馏出物中回收热量以提高效率，并使用结晶器从馏出物中分离盐。与常规蒸馏技术相比，该技术具有更高的热效率。
参赛概览
要参加比赛，参赛者必须提交他们关于太阳能热淡化组件或系统原型的想法，以及实现商业化的途径。如果他们的想法被选中，参赛者将获得50,000美元的现金；进入第二阶段后，需组成一个团队，对太阳能热海水淡化系统的计划进行完善。
被选中进入第三阶段的团队将获得25万美元的现金和10万美元的代金券，可以在国家实验室和/或合格的合作伙伴机构兑换这些代金币来设计他们的系统。在第三阶段完成系统详细设计时，团队还必须获取构建它们所需的许可和批准文档。
入围比赛的第四阶段和最后阶段的团队将获得750,000美元的现金奖励和另外100,000美元的代金券。然后，这些团队将构建他们的系统，演示其操作并验证关键性能指标。美国能源部将确定获奖者，获奖者将获得100万美元的现金奖励。
竞争者可以利用行业专业知识，接触投资者，通过美国专业网络，国家实验室，孵化器，投资者和行业专家获得指导和支持。该网络还提供对本土能力资源的进入资格，这将有助于加速其淡化系统原型的开发。
绩效指标
“太阳能海水淡化奖”要求所有参赛选手提供其创新方案的性能指标。参赛者应计算水的均化成本，热能消耗，资本成本，运营成本，回收率，年化太阳能脱盐热效率及其对环境的影响，并需要与最先进的技术进行对比。
与现有技术竞争的太阳能热淡化的具体性能指标取决于目标市场（即市政供水系统，农业用途，工业用途，或净化生产水）。因此，解决方案空间取决于竞争技术，适合使用的要求以及该市场空间中的成本驱动因素。这些性能指标将取决于项目范围内包括的设备。而水淡化通常会消耗处理过程中高盐度水所需的大部分能量，参赛者应在必要时考虑其他过程。
参赛者应针对其完整的商业版本展示其性能指标，包括除海水淡化子系统以外的所有设备在内的创新技术——用于处理来自其最初的质量满足客户要求的纯度，以及废水的处理和处置。对于创新的中试规模，竞争对手应仅针对技术提供性能指标，并进行示范，包括将使该概念可操作的海水淡化的任何设备（除海水淡化子系统以外）。
时间节点
创新：第一阶段于2020年4月28日开放，并于2020年7月16日结束。入围选手已于2020年10月19日宣布。
团队合作：第二阶段于2020年10月19日开始，将于2021年1月12日结束。入围团队将于2021年3月12日宣布。
设计：第三阶段将于2021年3月12日开始，直到参赛选手完成其设计并获得所需的文件后，该阶段将不迟于2024年3月12日结束。
测试：第四阶段也将于2021年3月12日开始。入围者将有三年的时间提交其原型系统，以竞争测试奖。从2022年开始，三月的第二个星期一将对提交的测试奖进行评估。获奖者将在对其新建的系统站点考察评估后确定。（杜凤丽 编译）
