Solar lamp with reused lithium cells

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Tutorial de avatarGold of Bengal | Categories : Energy

This tutorial allows you to make a solar lamp equipped with a USB charger. It uses lithium cells that are reused from a old or damaged laptop. This system, with a day of sunlight, can fully charge a smartphone and have 4 hours of light. This technology have been documented during a stopover of the " Nomade des Mers " expedition on the island of Luzong in the northern part of Philippines. The association Liter of Light has already installed this system since 6 years in remote villages which don't have access to electricity. They also organize training for the villagers in order to teach them how to fix the solar lamp ( already 500 000 lamps installed).

License : Attribution (CC BY)

Introduction

Lithium is a natural resource whose stocks are increasingly used for electric cars, telephones, and computers. This resource is gradually being depleted over time. Its increased use in battery manufacturing is mainly due to its ability to store more energy than nickel and cadmium. The replacement of electrical and electronic equipment is accelerating and it is becoming an increasingly important source of waste (DEEE: Waste electrical and electronic equipment). France currently produces 14kg to 24kg of electronic waste per inhabitant per year. This rate increases by about 4% per year. In 2009, only 32% of young French people aged between 18 and 34 years old, have once recycled their electronic waste. In the same year 2009, according to Eco-systèmes, from January to September 2009, 113,000 tonnes of CO2 were avoided through the recycling of 193,000 tonnes of DEEE, one of the four eco-organisations in the DEEE sector.

However, this waste has a high recycling potential. In particular, lithium present in the cells of computer batteries. When a computer battery fails, one or more cells are defective, but some remain in good condition and can be reused. From these cells it is possible to create a separate battery, which can be used to power an electric drill, recharge your phone or be connected to a solar panel to operate a lamp. By combining several cells it is also possible to form larger device storage batteries.

Video overview

Materials

  • Used laptop battery
  • Solar panel 5V-6V / 1-3W
  • Charge and discharge regulator (ex: 4-8V 1A Mini Li-ion USB Arduino Battery Charger TP4056)
  • DC/DC tension converter DC/DC booster MT3608 (electrical component that will transform the 3.7 V of the batteries into 5 V)
  • Switch (to open the circuit and cut off the light)
  • Electric tape
  • Box

Tools

Cells extraction

  • Gloves (to avoid cutting with the plastic of the computer battery or with the nickel ribbons that connect the cells)
  • Hammer
  • Chisel
  • Cutting pliers

For the lamp fabrication :

  • Glue gun (and glue sticks)
  • Heating gun or small torch
  • Wood saw
  • Screw driver

Step 1 - How it works

This tutorial shows how to recover computer cells to make a new battery. Powered by a solar panel, or by a USB port, it will allow you to light an LED lamp.

The system works around three modules:

  • the energy reception module: the solar panel and its charge controller
  • the energy storage module: the battery
  • the module that gives back the energy: the LED lamp and its voltage regulator

Energy Receiving Module: Photovoltaic Panel & Charge Controller

The photovoltaic panel concentrates the energy of the sun. It allows to recover its energy in order to store it in the battery. But be careful, the amount of energy received by the panel is irregular depending on the time of day, the weather... it is important to install a charge/discharge regulator between the panel and the battery. This will be protected against overload, among other things.

Energy storage module: the battery

It is composed of two lithium cells recovered from a computer. To put it in a nutshell, a battery is a bit like a box containing several batteries: each of them is a cell, a unit that supplies power to the device by electrochemical reaction.

The cells found in computers are lithium cells. They all have the same capacity to store energy, but their ability to make it is different for each. To form a battery from cells it is important that they all have the same ability to deliver energy. It is therefore necessary to measure the capacity of each cell to compose homogeneous batteries.

'Module that renders the energy: the LED lamp, the 5V USB port and its voltage converter

Our battery supplies us with 3.7V power and the LED lamps we used operate at the same voltage. In addition, the USB ports provide a voltage of 5V. We therefore need to transform the cell energy from 3.7V to 5V: using a voltage converter called DC/DC booster



Step 2 - Manufacturing stages

1) Removing the cells from the computer battery

2) Mesure du voltage des cellules

3) Réalisation des 3 modules :

  • panneau solaire + régulateur de charge
  • batterie
  • régulateur de tension + lampe à LED

4) Liaison des 3 modules :

  • le panneau solaire et son régulateur
  • la batterie
  • la lampe et son régulateur de tension

5) Construction du boîtier

6) Intégration des modules dans le boîtier

Step 3 - Extraction des cellules de la batterie d’ordinateur

Pour cette partie, nous vous invitons à consulter le tutoriel Récupération de batteries

1) Enfiler des gants pour protéger les mains.

2) Fixer la batterie sur un étau afin qu’elle ne bouge plus, et avec l’aide d’un marteau et d'un burin l'ouvrir. (image 1)

3) Isoler chaque cellule : décortiquer les cellules à l’aide d’une pince coupante, afin d'enlever tous les autres composants. (image 2)



Step 4 - Mesure du voltage des cellules

Pour cette partie, nous vous invitons à consulter le tutoriel Récupération de batteries

A l’aide d’un voltmètre, à utiliser en mode courant continu, mesurer la tension des cellules pour repérer celles qui sont réutilisables.

Toutes les cellules ayant une tension inférieure à 2,5 volt ne sont pas récupérables.

Attention : Si des cellules ont coulé (visible à l’extérieur de la batterie d’ordinateur), ne pas les démonter, à forte dose le lithium est dangereux pour la santé.

Remarque : Il est important de réaliser des batteries homogènes avec des cellules ayant à peu près la même capacité.



Step 5 - Réalisation des chacun des 3 modules

Module 1 : Panneau solaire et régulateur de charge

1) Se munir de deux fils, un rouge et un noir, les dénuder à l'aide d'une pince coupante.

2) Souder le fil rouge sur le pôle positif du panneau solaire et le fil noir sur son pôle négatif.

Le régulateur de charge possède 2 entrées : IN - et IN + (qui sont indiquées sur le composant)

3) Souder le fil rouge (positif) au pôle IN + du régulateur de charge et le fil noir (négatif) au pôle IN -. (image 5)

Module 2 : Batterie

1) Insérer la cellule lithium dans le porte batterie.

Module 3 : LED / USB convertisseur

Le convertisseur de tension DC/DC possède deux entrées et deux sorties :

Entrées : VIN + et VIN - / Sorties : OUT + et OUT -

1) Se munir de deux fils (rouge et noir).

2) Souder le fil rouge avec l'entrée VIN + du régulateur de tension et le fil noir avec l'entrée VIN -.

La LED possède deux fils d'entrée, un fil positif et un fil négatif.

Attention : La polarité des fils n'est pas indiquée sur la LED. Afin de la connaître munissez vous d'un ohmmètre. Lorsqu'il indique une valeur nulle c'est que le fil est positif. Lorsqu'il indique une valeur élevée c'est qu'il s'agit du fil négatif.

3) Souder le fil positif de la LED à la sortie OUT + du convertisseur de tension et le fil négatif à la sortie OUT -. (image 7)



Step 6 - Liaison des 3 modules

Le régulateur de charge possède 2 entrées : IN - et IN + (qui sont indiquées sur le composant)

1) Souder le fil rouge du panneau solaire (positif) au pôle IN + du régulateur de charge et le fil noir (négatif) au pôle IN -.


Le régulateur de charge possède 2 entrées : B - et B+ (qui sont indiquées sur le composant)

2) Souder le fil rouge du porte batterie (positif) au pôle B + du régulateur de charge et le fil noir (négatif) au pôle B-.

3) Souder le fil rouge (positif) du module convertisseur USB/LED au pôle OUT+ du régulateur de charge et le fil négatif (noir) au pôle OUT- Remarque :' Le circuit est alors fermé et la lumière s’allume.

4) Couper le fil positif qui relie le régulateur au convertisseur pour ouvrir le circuit, et y souder l’interrupteur en série. Celui-ci permettra d’ouvrir et de fermer le circuit.



Step 7 - Construction du boitier - Version 1

Version 1 : Tupperware

Ce design est celui de Open Green Energy, n'hésitez pas à consultez le tutoriel d'origine . Il nous parait très intéressant, c'est pourquoi nous le partageons. Néanmoins, il faudrait adapter le boitier à notre circuit, notamment pour la sortie USB. Nous proposerons notre propre modèle inspiré de ce design prochainement.


Step 8 - Construction du boitier - Version 2

Version 3 : Bouteille Thermoformée grand format

Ce modèle permet l'étanchéité des circuits mais nécessite du matériel spécifique présenté ci-dessous.

  • Un bidon de 5L d’eau
  • Des planches de contreplaqué (ou bois brute) d’épaisseur entre 1 et 2cm
  • Un tasseau de 80 cm minimum (largeur entre 3 et 5cm)

Fabrication des deux socles :

Il s’agit des deux extrémités de la lampe, la supérieur accueillant le panneau solaire d’un côté et le circuit électrique de l’autre, l’inférieur servant juste à refermer la lampe tout en l’étanchéifiant.

Découper 2 planches de 15/13cm et 2 planches de 11/13cm. Positionner sur chaque grande planche une petite en prenant soin de bien les centrer. Chaque couple sera vissé plus tard.

Pour l’étanchéité il est préférable de vernir les planches au préalable.


Fabrication du moule :

Découper dans le tasseau 4 tronçons d’une vingtaine de centimètres. Positionner les aux 4 coins des petites planchettes découpées plus haut (les 11/13 cm) et les visser tête de vis côté planchette. De l’autre côté positionner l’autre planchette et la visser de la même manière. On obtient donc un parallélépipède de dimensions 11/13/20 qui servira à thermoformer la bouteille en plastique (voit photo).


Thermoformage de l’enveloppe de la lampe :

Découper le fond de la bouteille de 5L et y insérer le moule verticalement (le côté de 20cm dans la longueur de la bouteille).

Chauffer doucement au décapeur thermique chaque face du rectangle (le décapeur doit être à environ 10 cm de la bouteille). Une fois que la bouteille a pris la forme du modèle, continuer à chauffer pour effacer les motifs et bien tendre le plastique.

Attention à ne pas chauffer trop près du plastique ou trop longtemps au même endroit pour éviter la formation de bulles.


En laissant la bouteille déformée sur le moule, couper proprement au ras du moule le haut de la bouteille et refaire une découpe propre à environ 17 cm de la première.

Une fois les découpes effectuées, dévisser les tasseaux des deux côtés afin de pouvoir démouler la forme (le retrait du plastique aura provoqué un serrage important du moule).

A chaque extrémités de la bouteille déformée, replier à 90° vers l’intérieur des languettes d’une largeur d’environ 1 cm biseautées de chaque côté (voir photo). Celles-ci viendront s’immiscer entre les deux planchettes de chaque socle afin d’améliorer l’étanchéité de la lampe. Pour pouvoir plier correctement les languettes, tracer une fine ligne au cutter à l’intérieur puis plier à la main.

Une fois le corps de la lampe terminé, il ne manque plus qu’à intégrer le circuit électrique.

Pour cela, reprendre une des petites planchettes utilisées pour le moule (11/13cm) et y visser tous les composants comme désiré, sachant qu’un minimum de symétrie permet de garantir l’équilibre de l’objet (voici en photo un exemple de disposition).

A l’aide d’un marqueur tracer sur l’enveloppe en plastique l’emplacement du bouton ON/OFF et de la prise USB et faire les trous correspondant.

Placer la planche avec le circuit à l’intérieur de l’enveloppe en plastique puis visser une des planches de 15/13cm dessous en prenant soin de bien coincer les languettes entre les deux planches.

Pour que la lampe soit démontable mettre les têtes de vis à l’intérieur et prévoir des vis plus petites qu’une double épaisseur de planche.


Fixation du panneau solaire :

Placer le panneau sur la grande planchette, déterminer l’emplacement des sorties + et – du panneau et faire un trou d’environ 5mm à cet endroit dans les deux planchettes (vérifier qu’aucun composant n’est à cet endroit auquel cas il faudra décaler le trou suffisamment).

Faire passer les fils venant du contrôleur de charge dans ce trou et les souder aux sorties correspondantes.

Pour coller l’idéal est d’utiliser un tissu fin collé à la planchette puis d’y coller le panneau (à la super glu par exemple).

Pour le socle de la lampe faire de même de l’autre côté ; placer la petite planchette à l’intérieur de l’enveloppe puis y visser la grande en prenant soin de coincer les languettes entre les deux.

Pour l’étanchéité de la prise USB, agrafer un petit rectangle de chambre à air de vélo est largement suffisant.

Step 9 - Construction du boitier - Version 3

Version 2 : Bouteilles Thermoformées coulissantes

Ce modèle permet l'étanchéité des circuits mais nécessite du matériel spécifique présenté ci-dessous.
  • 2 bouteilles en plastique de 2L sans rétrécissements trop importants.
  • 1 décapeur thermique
  • Du contreplaqué
  • Le panneau solaire doit avoir les dimensions suivantes: 188 x 78,5 mm

1) Découper dans du bois ou du contreplaqué 3 planchettes identiques de 8cm par 5cm et arrondir les coins au papier de verre.

2) Pour le moule, trouver un assemblage de planches verticales qui corresponde aux dimensions de la planchette (voir photo), celles-ci donneront la forme à la bouteille, utiliser au moins 2 planches car une seule serait impossible à retirer avec le serrage du plastique.

3) Enrober les parties du moule de papier pour faciliter le démoulage.

4) Découper le goulot et le fond de la première bouteille et insérer le moule à l‘intérieur jusqu’à ce que le rétrécissement de la bouteille avant le goulot empêche d’aller plus loin.

5) Chauffer doucement au décapeur thermique chaque face du rectangle (le décapeur doit être à environ 10 cm de la bouteille). Une fois que la bouteille a pris la forme du modèle, continuer à chauffer pour effacer les motifs et bien tendre le plastique.

Attention à ne pas chauffer trop près du plastique ou trop longtemps au même endroit pour éviter la formation de bulles.

6) En laissant la bouteille déformée sur le moule, couper proprement au ras du moule le haut de la bouteille et refaire une découpe propre à 20 cm de la première.

Il va maintenant falloir thermoformer la partie supérieur de la lampe qui va coulisser. Il faut donc garder la première sur le moule et thermoformer la seconde par-dessus.

7) Fixer une des planchettes au bout du moule à l’aide d’une vis (bien centrer).

8) Découper le fond de la deuxième bouteille et rentrer le moule dans cette dernière afin d’avoir la vis au niveau du bouchon.

9) Procéder au thermoformage comme précédemment, la planchette va rester fixée dans le haut de la bouteille.

10) Serrer une des planches dans un étau et taper sur les autres pour démouler le tout.

On obtient donc 2 bouteilles rectangulaires parfaitement ajustées entre elle, ce qui permettra de les faire coulisser.

On obtient donc une bouteille en plastique à la forme du modèle voulu

Il reste donc 2 planchettes pour fixer le circuit électrique et la lampe.

Tracer une ligne au milieu dans la longueur sur les deux planchettes et visser 2 vis réparties sur cette ligne dans la première presque jusqu’au bout, visser ensuite ce qu’il reste dans la deuxième planchette sans faire dépasser les vis

Sur la première planchette, du côté opposé aux têtes de vis, fixer avec de petites vis les deux portes-batteries de part et d’autre des grandes vis.

Sur la deuxième planchette, du côté de l’entrée des vis, fixer le contrôleur de charge et le port USB de façon à ce que les sorties se retrouvent sur les bords de la planchette (petits côtés du rectangle).

Faire un trou excentré sur la deuxième planchette et y faire passer les fils menant à la LED puis fixer la  LED au centre.

Rentrer le tout dans la bouteille et faire les marques pour les trous de l’interrupteur, de la prise USB et des fils pour le panneau solaire.

Retirer le tout et découper les trous (un rectangle pour l’USB et un rond pour l’interrupteur et les fils) à l’aide d’un cutter chauffé au préalable.

Rentrer la première planchette, fixer l’interrupteur puis insérer la deuxième planchette avec le reste du circuit.

Brancher le panneau solaire puis le fixer sur un des côtés libres de la bouteille (sans port USB ni interrupteur).

La lampe est finie.

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