Solaire photovoltaïque: électricité solaireOptimisations Photovoltaïques Autonomes avec Liquides OPALE

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Optimisations Photovoltaïques Autonomes avec Liquides OPALE

Message non lupar Remundo » 03/09/11, 14:35

Bonjour à tous les Econologues,

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j'ouvre ce sujet pour vous présenter nos 2 prototypes OPALE,

Optimisations
Photovoltaïques
Autonomes avec
Liquides en
Ecoulement


La grange photovoltaïque OPALE
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et la laiterie photovoltaïque OPALE
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OPALE est une technologie développée par Sycomoreen qui améliore la production photovoltaïque d'une installation entre 5 et 20% en France métropolitaine.

Une autre option d'OPALE est de produire de l'eau chaude à partir d'un champ photovoltaïque préexistant.

Nous recherchons des partenaires pour développer cette invention.

Retrouvez d'autres d'informations et projets relatifs aux énergies renouvelables sur le site Web de Sycomoreen, ainsi que la FAQ sycomoréenne sur les questions photovoltaïques.

A bientôt.

Remundo pour SYCOMOREEN
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Message non lupar Remundo » 03/09/11, 14:38

L'invention(OPALE) concerne un dispositif multi-réservoirs(REP,REC,RLS) comprenant au moins une pompe(PMP), un filtrage de retour intégré(FRI) à au moins un des réservoirs, un filtrage de départ intégré(FDI) à chaque pompe(PMP), de conduites ascendantes (ASC,ASC1,ASC2) et rampes(RA,RA1,RA2,RA3) d’arrosage, gérés par un pilotage saisonnier avec déclencheurs thermostatiques(TST), photosensibles(PHO) et temporels(RHP,RTE) réalisant avec des liquides en écoulement comme l’eau de pluie(EP), l’eau de pluie préchauffée(EC) ou des liquides spécifiques(LS) toutes les optimisations nécessaires dans le fonctionnement d’un champ de panneaux photovoltaïques(CPV) sur toiture ou au sol, orientable ou non, à savoir :

1. Le refroidissement des panneaux (sauf hiver)

2. Le déneigement/dégivrage des panneaux (hiver)

3. Le nettoyage des panneaux (toute saison)
a. Des dépôts organiques
b. Des dépôts inorganiques

4. L’atténuation du saut d’indices optiques entre l’air et le verre des panneaux (toute saison)

5. L’extraction d’énergie thermique (toute saison)

La présente invention(OPALE) se caractérise ainsi par les éléments et fonctionnements suivants :

1. L’utilisation de liquides différents stockés dans :
a. au moins un réservoir(REP) d’eau de pluie(EP),
b. au moins un réservoir(RLS) de liquide spécifique(LS) qui sera notamment un antigel (par exemple eau/alcool) ou une solution acide aqueuse, ou un réservoir(REC) d’eau chauffée(EC), ou tout liquide spécifique(LS) jugé approprié,

2. Au moins une pompe(PMP) dont l’aspiration(ASP) plonge, possiblement à l’aide de vannes (VDP,VDC,VDS) :
a. Dans un réservoir d’eau de pluie(REP) pour la période estivale,
b. Dans le réservoir d’antigel(RLS) ou en variante dans le réservoir(REC) d’eau chauffée(EC) pour la période hivernale,
c. Dans un réservoir(RLS) de liquide spécifique(LS) lors d’interventions exceptionnelles de nettoyage intense (à l’eau acide ou au diluant organique).

3. Un double filtrage(FRI,FDI) intégré :
a. Le filtrage du liquide de retour intégré(FRI) sur au moins un des réservoirs(REP,RLS,REC) constitué d’au moins une boîte bi-étagée(BBE) à surface filtrante(SFI) réutilisable après nettoyage, avec un couvercle amovible(CAM), une grille de soutien(GRI) maintenus par des vis(VI1,VI2,VI3,VI4), avec un organe de distribution(DIS) vers le réservoir de liquide(REP,RLS,REC) approprié,
b. Le filtrage du liquide de départ intégré(FDI) à l’aspiration(ASP) constitué d’une tête ou d’une surface filtrantes (TFI,SFI) réutilisables après nettoyage,

4. Un chauffage optionnel intégré à au moins un réservoir(REP,RLS) comprenant soit un serpentin(SER) où s’écoule l’eau chaude sanitaire(ECS), soit une résistance chauffante(RCH), soit les deux(SER,RCH),

5. Des capteurs et déclencheurs de la pompe et/ou de la résistance chauffante(RCH):
a. Thermosensible : un relais thermostatique(TST)
b. Photosensible : un relais crépusculaire(PHO)
c. Temporels : un relais à horaires programmables(RHP) et un relais temporisé électrique(RTE),

6. Des conduites ascendantes(ASC,ASC1,ASC2) amenant le fluide choisi au sommet du champ photovoltaïque(CPV),

7. Au moins une rampe d’arrosage(RA,RA1,RA2,RA3) de laquelle s’écoule le fluide,

8. Une serre amovible(SAM) optionnelle recouvrant le champ photovoltaïque(CPV) selon la saison,
9. Des chéneaux(CHN) collecteurs du fluide,

10. Un plan d’écoulement amovible(PEA) déportant ou non les fluides en écoulement en dehors des chéneaux(CHN)

11. Des conduites de retour(RET) vers les réservoirs(REP,RLS,REC).

12. Au moins un flotteur(FLO), au moins un distributeur(DIS) et au moins une évacuation du trop-plein(TRP) pour gérer le niveau des fluides dans les réservoirs(REP,REC,RLS)
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Message non lupar Remundo » 03/09/11, 14:40

Implantation typique des éléments de OPALE sur une toiture photovoltaïque

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Message non lupar Remundo » 03/09/11, 14:42

L’exposé du présent dispositif d’Optimisations Photovoltaïques Autonomes avec Liquides en Ecoulement(OPALE) s’appuiera sur 9 figures techniques (Fig. 1/32 à Fig. 9/32) et 23 figures de ressources scientifiques (fig. 10/32 à Fig. 32/32) annexées au présent document qui s’organisera selon le plan suivant:

1. Les perfectionnements photovoltaïques existants :
a. Refroidissement des panneaux
b. Déneigement des panneaux
c. Nettoyage des panneaux
d. Filtrage
e. Surface anti-reflet
f. Extraction thermique


2. Synthèse de l’état de l’art et apport d’OPALE
a. Pour le refroidissement des panneaux
b. Pour le déneigement des panneaux
c. Pour le nettoyage des panneaux
d. Pour le filtrage
e. Pour les surfaces anti-reflet
f. Pour l’extraction thermique


3. Les Optimisations Photovoltaïques Autonomes avec Liquides en écoulement (OPALE) :
a. Composants du système OPALE
b. Refroidissement (sauf hiver)
i. Dimensionnement hydraulique
ii. Pilotage du déclenchement du pompage
c. Déneigement/dégivrage des panneaux (hiver)
d. Filtrage et chauffage intégrés
e. Nettoyage des panneaux (toute saison)
f. Atténuation du saut d’indices optiques air/verre
g. Extraction d’énergie thermique (toute saison)
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Message non lupar Remundo » 03/09/11, 14:44

Implantation typique des éléments de OPALE sur un mât photovoltaïque motorisé en traqueur solaire
(solar tracking)

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Message non lupar Remundo » 03/09/11, 14:51

1. Perfectionnements photovoltaïques existants

1.a) Le refroidissement des panneaux photovoltaïques est un enjeu important car la puissance d’un panneau décroît typiquement de 0,35% à 0.5% par °C au dessus de 20°C, tel qu’illustré aux figures 10 et 11.

Les statistiques solaires estiment qu’en France, une installation avec panneaux intégrés à la toiture perd de 5 à 15% de sa production annuelle à cause de leur échauffement, et jusqu’à 35% de sa puissance instantanée par les journées chaudes et fortement ensoleillées.

Ainsi plusieurs dispositifs de refroidissement des panneaux ont été proposés, le plus souvent avec de l’eau liquide. Ainsi on trouve :

- des exemples de modules photovoltaïques avec refroidissement intégré dans le panneau dans DE2020060160108U1 par SUNZENIT Gmbh ou bien dans FR2566183A1 par Roger LUCCIONI ou aussi FR2911997A1 par Guy DIEMUNSCH, également un liquide entourant complètement les cellules comme dans WO0036618A1 par le Stichting Energieonderzoek Centrum Nederland,
- des exemples de refroidissement avec ruissellement de liquide sur la toiture (souvent en circuit fermé et récupération de l’eau de pluie) dans SI22844A/ WO2010005402A3 par Kajetan BAJT ou bien JP62013084A par Katsumi KAWASHIMA qui sont jugés comme un état de l’art proche de la présente invention,
- des exemples d’installations réfrigérantes et/ou à pompe à chaleur comme dans JP2006183933A par Masahisa OTAKE ou EP2093808A2 par Alfonso DI DONATO,
- des exemples de panneaux hybrides photovoltaïques et thermiques (PVT) avec diverses variantes, notamment dans CN201365210 par JUNJIE/DANDAN, CN201368606Y par WU / GOU, JP2003199377 par KOMAI / YOSHIKA, ou KR100622949B1 par KIM JONG/KIM TAE, ou WO2009111017A3 par Edwin COX. Il est parfois proposé de concentrer le rayonnement comme dans US6630622B2 par Annemarie HVISTENDAHL KONOLD ou bien WO0008690A2 par Windbaum Forschungs und Entwicklungs Gmbh. Pour information, les figures 10 et 11 sont issues de publications de performances par la Société Holtkamp SES sur ses panneaux hybrides photovoltaïques/ thermiques vitrés

1.b) Le déneigement / dégivrage des panneaux photovoltaïques est un thème moins souvent abordé ; cependant, il revêt une importance particulière dans les zones montagneuses ou enneigées : pour bénéficier du fort albédo de la neige et avoir une bonne production, il est nécessaire de chasser la neige ou le givre tombés sur l’installation photovoltaïque. Dans ce cas, la problématique du refroidissement est obsolète et remplacée par une problématique de déneigement et plusieurs méthodes ont été proposées à cet effet :

- des exemples d’éléments chauffants électriques pour fondre la glace, additionnels comme dans CN201340855, ou bien intégrés dans les panneaux par courant inverse comme dans DE102006004712A1 par Inek Solar AG ou JP9023019 ou JP62179776 par KYOCERA, ou KR20100005291A par YU HEUNG SOO
- des exemples de fonte par courant d’air chaud comme dans DE102006054114A1 par Gertraud HÖCHSTETTER ou bien par courant de CO2 comme dans JP2006029668 par OTAKE/MURATA,
- des exemples de fonte par ruissellement d’eau comme dans JP2003056135 par Hitoshi HORIKAWA ou JP2005155272 par OE/TANIKOSHI, ou WO2009139586 par Soo YU HEUNG
- des exemples de déneigement mécanique comme dans DE10013989A1 par René NEUMANN ou CN201338000Y par DAJIAN/HONGSHENG, ou DE202005012844U1 par STEIBLE/ALBRECHT

1.c) Le nettoyage des panneaux photovoltaïques est également proposé selon différentes méthodes :

- module à surface auto-nettoyante comme dans CN201181709Y par Liu JINWEI, ou bien films physicochimiques autonettoyants à appliquer a posteriori sur les panneaux,
- utilisation de moyens mécaniques (brossage, essuyage…) comme dans DE10013989A1 par René NEUMANN ou KR20090090722A par JUNG HAE/KIM GYEONG ou WO2008014760A2 par Gerd HETTINGER,
- combinaison du ruissellement de liquide réfrigérant et du nettoyage comme dans KR20090071895A par Jae LEE CHAN ou WO2009139586 par Soo YU HEUNG.

1.d) Le filtrage concerne les applications où le ruissellement du liquide se fait directement à l’air libre. En pratique, il est souvent proposé un circuit d’eau fermé avec réservoir pour ne pas fonctionner à « eau perdue » tout en collectant l’eau de pluie.

Cependant, les toitures collectent de nombreux déchets organiques (déjections d’oiseaux, insectes, résidus de végétaux (feuilles, brindilles, poussières) et minéraux (poussières de pierre ou de sable, pollutions amenées par le vent et/ou la pluie). Ceci entraîne un encrassement très rapide des réservoirs et compromet gravement le fonctionnement de la pompe et de la rampe d’arrosage assurant le ruissellement du liquide sur le champ photovoltaïque. Très peu de brevets sur le sujet d’OPALE abordent techniquement cette question du filtrage ; on peut toutefois citer JP62013084A qui préconise de compartimenter le réservoir d’eau de pluie en un espace de stockage et un autre de décantation, mais sans filtrage du fluide, ou SI22844A qui signale un simple filtrage de retour des eaux chargées. Un filtrage de départ n’est pas proposé.

1.e) Les surfaces anti-reflet sont développées le plus souvent par le dépôt de fines couches à la surface du verre du panneau photovoltaïque de manière à canaliser le maximum de rayonnement vers les cellules photosensibles. Néanmoins, il demeure une différence d’indices optiques importante entre l’air (n=1) et le verre de protection(n=1.5) qui provoque la réflexion partielle du rayonnement et donc un effet photovoltaïque affaibli sur les cellules.

1.f) L’extraction thermique pour panneaux photovoltaïques est possible.

Comme illustré qualitativement à la figure 15, les imperfections de l’effet photovoltaïque et les matières photosensibles très sombres conduisent à une dégradation d’environ 80% du rayonnement en chaleur. La température du panneau croît toujours jusqu’à ce que la puissance thermique perdue par le panneau (par conducto-convection et ré-émission infrarouge) soit égale à la puissance thermique reçue.

Sans refroidissement forcé, la température d’équilibre est au voisinage de 90°C lorsque l’atmosphère est chaude avec un rayonnement intense, et typiquement 50 à 70°C – ce qui entraîne une baisse d’environ 30% pour la puissance électrique -.

De plus, ces cycles de température à forte amplitude font vieillir les éléments photosensibles à travers une lente baisse du rendement électrique (de 10 à 20% sur une période de 20 ans par rapport aux performances initiales). Ce phénomène d’échauffement a priori néfaste est parfois valorisé en combinant la techniques des panneaux solaires thermiques (liquide circulant sous verre) avec celle des panneaux solaires photovoltaïques (constituant la surface chaude absorbante). Mais le rafraîchissement intense des panneaux et l’obtention d’eau très chaude sont incompatibles. Seul un compromis entre les deux est possible, avec des besoins saisonniers.
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Message non lupar Remundo » 03/09/11, 14:52

Intégration d'OPALE sur centrale solaire modulaire au sol avec gestion centralisée

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Message non lupar Remundo » 03/09/11, 15:01

2. Synthèse de l’état de l’art et apports d’OPALE

Malgré des propositions nombreuses, chacune possède des lacunes plus ou moins profondes :

2.a) pour le refroidissement des panneaux

Les solutions de refroidissement intégré dans le panneau ne nettoient pas la paroi extérieure exposée aux salissures.

La solution de ruissellement de liquide à l’extérieur du panneau est la plus pertinente, mais à condition d’y adjoindre des solutions de filtrage et de lutte contre le froid hivernal performantes.

Enfin, les panneaux hybrides PVT n’assurent pas leur nettoyage extérieur et ont tendance à surchauffer : en été, diminuer la production d’eau chaude et privilégier la production photovoltaïque, en hiver, faire le contraire.

2.b) pour le déneigement/dégivrage des panneaux

Les éléments chauffants électriques dans le panneau entraînent un surcoût et une dépense d’énergie importante lors de leur mise en œuvre. Il en va de même pour les techniques de polarisation/courant inverses des cellules photovoltaïques qui imposent une électronique de contrôle très fiable.

Le courant d’air chaud, forcément énergivore, nécessite également des panneaux spécifiques et donc coûteux par rapport à un panneau standard.

Le déneigement mécanique requiert des cinématiques de brossage/essuyage assez complexes et onéreuses, notamment pour leur maintenance, et qui, avec des résidus sableux ont tendance à rayer le verre des panneaux.

Enfin, la technique par ruissellement est intéressante car en pente, très peu de fluide et d’énergie suffit à déstabiliser une couche de neige déposée sur du verre, à condition de sécuriser et automatiser l’écoulement du fluide.

2.c) pour le nettoyage des panneaux

Les films autonettoyants sont généralement chimiquement complexes et leur action n’est pas durable, voire inefficace car certaines salissures sont particulièrement adhérentes comme les déjections d’animaux ou les dépôts minéraux.

La pluie n’est pas toujours suffisante, voire peut être elle-même à l’origine d’encrassement lorsqu’elle porte des poussières naturelles comme le sable ou artificielles liées à des résidus industriels.

Le brossage nécessite des architectures mécaniques coûteuses et peut endommager les panneaux, par exemple avec le frottement du sable résiduel sur le verre.

En réalité, seul le ruissellement apparaît comme valable, mais le simple ruissellement d’eau se révèle insuffisant : il faut un filtrage efficace et des liquides spécifiques, avec une hydraulique maîtrisée.

2.d) pour le filtrage

L’état de l’art fait apparaître de grandes faiblesses en la matière : il est ignoré très souvent, signalé parfois, et souvent techniquement inadéquat. Les quantités de salissures collectées par un toit sont très importantes et il faut absolument les empêcher de pénétrer dans les réservoirs de liquides, qu’il s’agisse d’eau ou de liquides spécifiques.

Le filtrage d’OPALE est strict aussi bien au retour qu’au départ du fluide de manière à maintenir les réservoirs propres tout comme les canalisations stratégiques du fluide, comme l’aspiration(ASP) de la pompe(PMP), les éventuelles conduites ascendantes(ASC) ou rampes d’arrosage(RA,RA1,RA2,RA3). Pour autant, ce filtrage est de maintenance aisée et bon marché, sans entraîner des pertes de charge hydraulique excessives.

2.e) pour les surfaces anti-reflet

Le problème du reflet lors du passage de la lumière à travers l’interface de 2 indices optiques différents est une situation connue, parfois recherchée ou combattue.

Les panneaux photovoltaïques créent une transmission entre un indice d’environ 1 (celui de l’air) et un indice d’environ 1,5 (celui du verre de protection). Des calculs d’optique ondulatoire développés plus loin montrent que cela induit un reflet d’environ 4% en incidence normale, la situation se dégradant à 10% vers une incidence de 50° (dépendant de la polarisation de l’onde) et jusqu’à 100% lorsque l’incidence devient rasante.

Ce reflet est une perte nette pour les cellules photosensibles. Les techniques de couches anti-reflets existent, mais sont onéreuses et périssables car exposées aux agressions subies par les panneaux posés en toiture. De plus, elles ne fonctionnent que pour une seule longueur d’onde.

D’autres considérations d’optique ondulatoire indiquent qu’un bon compromis d’indice de couche anti-reflet est la racine carrée des 2 indices à traverser (voir 3.f), soit dans notre cas 1.225 . OPALE utilise donc des solutions aqueuses adaptées car d’indice de 1,3 environ.

2.f) pour l’extraction thermique

Les systèmes d’extraction thermique utilisent souvent l’effet de serre grâce à un verre inamovible en surimposition devant le panneau photovoltaïque, ce qui conduit à sa surchauffe même lorsqu’il n’y a aucun besoin de chauffage, en particulier en été.

Le rendement photovoltaïque se dégrade alors considérablement, à moins d’imposer un pompage assez énergivore pour évacuer les calories et de prévoir un radiateur pour dissiper la chaleur dans l’environnement.

Cependant, il est possible de stocker la chaleur dans un grand tampon thermique souterrain du bâtiment, de manière à y puiser de la chaleur durant l’hiver. Ce type d’installation est néanmoins coûteux et très peu répandu.

Enfin, on ne peut pas obtenir simultanément une production photovoltaïque maximum et un fluide de retour chaud. Photovoltaïque et chauffage solaire sont incompatibles dans leur besoin, mais OPALE utilise une serre amovible(SAM), montée l’hiver et absente en été.

Ainsi, comme cela va être développé, le système OPALE résout l’ensemble des problèmes techniques soulevés avec des moyens simples et néanmoins automatisés.

Par l’écoulement en circuit fermé de grandes quantités d’eau avec une hydraulique maîtrisée, le dispositif(OPALE) garantit un refroidissement maximal, même en période de canicule.

Par la combinaison de cet écoulement, au besoin quotidien, avec une approche multi-réservoirs(RLS,REP,REC) d’eau de pluie(EP) ou de liquides spécifiques(LS), le dispositif(OPALE) assure un nettoyage régulier et efficace, qui peut être renforcé par l’écoulement des liquides spécifiques adéquats pour dissoudre les dépôts les plus tenaces sur le champ photovoltaïque(CPV).

Grâce au double filtrage intégré(FRI,FDI) des liquides au retour et au départ, avec une boîte bi-étagée(BBE) à surface filtrante(SFI) ou à tête filtrante(TFI) implantées sur l’aspiration(ASP) de la pompe(PMP), le dispositif(OPALE) offre un filtrage accessible, efficace et peu onéreux pour préserver des salissures tous les réservoirs(REP,RLS,REC) et canalisations (ASP,PMP,ASC,ASC1, ASC2,RA,RA1,RA2,RA3) stratégiques.
Dernière édition par Remundo le 23/09/11, 00:19, édité 1 fois.
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Message non lupar Remundo » 03/09/11, 15:02

Dispositif de filtrage bi-étagé pour les fluides de retour

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Message non lupar Remundo » 03/09/11, 15:05

Par l’approche multi-réservoirs, soit d’antigel (figs 12, 13 et 14), soit d’eau chauffée(EC), OPALE permet un déneigement rapide peu énergivore en période hivernale.

Grâce à l’écoulement de liquide aqueux, le dispositif(OPALE) crée une couche anti-reflet pour toutes les longueurs d’onde sans aucun frais (figs 20 à 32).

Le dispositif(OPALE) permet une extraction thermique de la chaleur des panneaux particulièrement adaptée par le caractère amovible de la serre(SAM) qui sera mise en place l’hiver et retirée l’été et la présence d’un réservoir d’eau chauffée(REC) qui pourra communiquer via un serpentin(SER) sa chaleur à l’eau chaude sanitaire(ECS)

Enfin, par la combinaison de ses relais thermostatiques(TST), crépusculaires(PHO), à horaires programmés(RHP) et à temporisation électrique(RTE), le dispositif(OPALE) s’adapte intelligemment à toutes les situations de manière à sécuriser et rationaliser le fonctionnement autonome de l’installation malgré les alternances climatiques.

Tant pour des installations en toiture telles qu’illustrées à la figure 1, que pour des centrales solaires au sol telles qu’illustrées aux figures 2 (OPALE modulaires) et 3 (OPALE centralisées), il apparaît un système autonome complet pour garantir toutes les optimisations photovoltaïques malgré les variations saisonnières et/ou climatiques :

1. Le refroidissement des panneaux (sauf hiver),

2. Le déneigement/dégivrage des panneaux (hiver),

3. Le nettoyage des panneaux (toute saison),

4. Le filtrage des liquides en écoulement

5. L’atténuation du saut d’indices optiques air/verre (toute saison),

6. La valorisation thermique du chauffage des panneaux photovoltaïques (toute saison).


3. Les Optimisations Photovoltaïques Autonomes
avec Liquides en écoulement (OPALE)


3.a) Les composants du système OPALE

Tel qu’illustré à la figure 1 pour une installation en toiture, à la figure 2 pour une installation au sol à modules autonomes, ou à la figure 3 pour une installation au sol à gestion centralisée, le dispositif(OPALE) s’implante sur un champ photovoltaïque(CPV) et possède au moins 2 réservoirs dont :
- un réservoir(REP) d’eau de pluie (EP)
- ou un réservoir(RLS) de liquides spécifiques (LS),
- ou un réservoir(REC) d’eau chauffée(EC).

Les liquides spécifiques(LS) peuvent être des solutions aqueuses :
* d’antigel :
- eau/éthanol (tel qu’illustré en figs.12 et 13)
- ou de sel(fig.14),
* de diluant organique pour emporter les dépôts organiques, * d’acide/base capables de dissoudre les dépôts inorganiques,
* de l’eau chauffée(EC) destinée soit au déneigement, soit au chauffage d’eau chaude sanitaire(ECS),
* ou tout autre fluide spécifique jugé pertinent.

Le dispositif(OPALE) comprend aussi une pompe(PMP) dont l’aspiration(ASP) plonge :
- dans le réservoir d’eau de pluie(REP) sauf en hiver,
- dans le réservoir d’antigel(RLS) en hiver, ou en variante dans le réservoir(REC) d’eau chauffée(EC),
- dans le réservoir de fluides spécifiques(RLS) pour les opérations de détartrage et nettoyage approfondis.
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