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【編者按】世界各國都將能源轉型作為后疫情經濟復蘇和可持續發展的重要途徑。為與廣大讀者分享國外能源轉型最新研究進展，開辟“海外研究”話題。本文介紹近日發表在國際期刊Biomass and Bioenergy上發表研究論文The roles of biomass and CSP in a 100%renewable electricity supply in Australia的主要內容，介紹了澳大利亞在100％可再生能源供電方面的最新研究進展。感謝澳大利亞悉尼大學可持續分析中心的李夢宇博士供稿。更多細節請點擊文末“閱讀原文”瀏覽或下載論文原文。

【論文導讀】在全球低碳發(fa)展的背景(jing)下，可再(zai)生能(neng)源發(fa)電比例(li)逐年提高(gao)，但(dan)是風能(neng)和太陽能(neng)的隨機性(xing)和波動(dong)性(xing)為高(gao)比例(li)甚(shen)至(zhi)100％可再(zai)生能(neng)源供電場景(jing)帶來挑戰，生物質(zhi)能(neng)和太陽能(neng)光熱發(fa)電這樣的可調(diao)度可再(zai)生能(neng)源對于解決這一問題具有巨大潛(qian)力。

生物質能和太陽能光熱發(fa)電(dian)在澳大利亞100％可再生能源供(gong)電(dian)中的作(zuo)用

李夢宇(yu)a*，Manfred Lenzena，Moslem Yousefzadeha,Fabiano A.Ximenesb

（a.Integrated Sustainability Analysis(ISA),School of Physics,The University of Sydney,NSW 2006,Australia

b.Forest Science Unit,Department of Primary Industries,NSW 2150,Australia）

摘要

由于(yu)風能(neng)和(he)(he)(he)太(tai)(tai)(tai)陽(yang)能(neng)資源(yuan)的(de)(de)(de)(de)可(ke)(ke)(ke)變性，電(dian)力(li)系(xi)(xi)(xi)統(tong)中高比(bi)(bi)例(li)的(de)(de)(de)(de)風能(neng)和(he)(he)(he)太(tai)(tai)(tai)陽(yang)能(neng)可(ke)(ke)(ke)能(neng)會(hui)導(dao)致在(zai)資源(yuan)匱(kui)乏時(shi)期出現供電(dian)缺口(kou)。可(ke)(ke)(ke)調度(du)可(ke)(ke)(ke)再生(sheng)能(neng)源(yuan)如(ru)生(sheng)物質能(neng)、太(tai)(tai)(tai)陽(yang)能(neng)光(guang)熱發(fa)電(dian)（concentrating solar power，CSP）和(he)(he)(he)水電(dian)，能(neng)夠在(zai)短(duan)時(shi)間內滿足(zu)負荷要求(qiu)，可(ke)(ke)(ke)以(yi)幫(bang)助解決此(ci)(ci)問題。本(ben)(ben)(ben)研究(jiu)分(fen)(fen)(fen)析了在(zai)不同生(sheng)物質和(he)(he)(he)CSP的(de)(de)(de)(de)發(fa)電(dian)比(bi)(bi)例(li)下，澳(ao)大利(li)亞(ya)成本(ben)(ben)(ben)最低的(de)(de)(de)(de)100％可(ke)(ke)(ke)再生(sheng)電(dian)源(yuan)時(shi)空配置。為此(ci)(ci)，進行(xing)了基于(yu)高分(fen)(fen)(fen)辨率地理信(xin)息系(xi)(xi)(xi)統(tong)（GIS）的(de)(de)(de)(de)逐小時(shi)電(dian)力(li)供需匹配模擬。研究(jiu)發(fa)現，基于(yu)澳(ao)大利(li)亞(ya)現有生(sheng)物質裝(zhuang)機容量(liang)（1.7GW），100％的(de)(de)(de)(de)全(quan)國可(ke)(ke)(ke)再生(sheng)能(neng)源(yuan)供電(dian)能(neng)夠實(shi)現，該情況下系(xi)(xi)(xi)統(tong)總裝(zhuang)機容量(liang)約(yue)146~148 GW，平準(zhun)化(hua)度(du)電(dian)成本(ben)(ben)(ben)（LCOE）約(yue)為9~10美分(fen)(fen)(fen)/kWh（置信(xin)度(du)95％）。在(zai)生(sheng)物質發(fa)電(dian)量(liang)增長(chang)5~15倍的(de)(de)(de)(de)情況下，LCOE可(ke)(ke)(ke)降(jiang)至6~8美分(fen)(fen)(fen)/kWh，且系(xi)(xi)(xi)統(tong)總裝(zhuang)機容量(liang)將減少至70~110 GW。生(sheng)物質會(hui)受到土(tu)地使用的(de)(de)(de)(de)限制，而CSP可(ke)(ke)(ke)將系(xi)(xi)(xi)統(tong)裝(zhuang)機容量(liang)減少到近120 GW。

研究目標

調查(cha)在不同生物(wu)質(zhi)資源利用(yong)水平和(he)CSP容(rong)量擴展下(xia)，澳大(da)利亞100％可再生能源電網高時空分(fen)辨率配(pei)置。具(ju)體研(yan)究目(mu)標如下(xia)：

1 開發高分辨(bian)率(lv)GIS（0.09°，390×479個網格(ge)）的(de)(de)電(dian)力調(diao)度模型，對全年中(zhong)每小時的(de)(de)電(dian)力時空調(diao)度進行模擬，并構建新(xin)的(de)(de)輸電(dian)網絡(luo)以估算系(xi)統的(de)(de)LCOE；

2 開發CSP調(diao)度(du)模型，根據(ju)實時天氣和運行狀(zhuang)況以及單位時間調(diao)度(du)結(jie)果對(dui)其熱(re)存儲狀(zhuang)態進行每小(xiao)時追蹤，以研究其在100％可再生能(neng)源(yuan)電網中平衡負荷的潛力(li)；

3 測試不同生(sheng)物質(zhi)以及CSP成本下100％可再(zai)生(sheng)能源電網(wang)的(de)配置(zhi)；展示如何通過(guo)逐步增加(jia)生(sheng)物質(zhi)燃(ran)料和CSP電廠的(de)裝(zhuang)機容(rong)量來(lai)減少(shao)可再(zai)生(sheng)能源的(de)波(bo)動。

模型介紹

開發(fa)(fa)(fa)(fa)了一(yi)種(zhong)啟發(fa)(fa)(fa)(fa)式電(dian)力(li)供(gong)需(xu)(xu)模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)，通(tong)過時(shi)序(xu)調度(du)模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)找到(dao)滿足約束(shu)條件的(de)澳(ao)大(da)利(li)亞(ya)電(dian)網(wang)配(pei)置。電(dian)力(li)供(gong)需(xu)(xu)模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)由(you)3個基于GIS的(de)子(zi)模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)組成(cheng)，這些子(zi)模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)在澳(ao)大(da)利(li)亞(ya)390×479網(wang)格(ge)上運行(xing)：1）發(fa)(fa)(fa)(fa)電(dian)技(ji)(ji)術模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)（圖(tu)1左），估算每個網(wang)格(ge)單元每小時(shi)不同發(fa)(fa)(fa)(fa)電(dian)技(ji)(ji)術的(de)發(fa)(fa)(fa)(fa)電(dian)潛力(li)和投標價格(ge)；2）負(fu)荷(he)(he)模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)：澳(ao)大(da)利(li)亞(ya)電(dian)力(li)負(fu)荷(he)(he)的(de)時(shi)空分布（圖(tu)1右）；3）供(gong)需(xu)(xu)調度(du)模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)（圖(tu)1中(zhong)(zhong)），模(mo)(mo)擬澳(ao)大(da)利(li)亞(ya)電(dian)網(wang)的(de)每小時(shi)電(dian)力(li)調度(du)，其(qi)中(zhong)(zhong)負(fu)荷(he)(he)（從負(fu)荷(he)(he)模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)中(zhong)(zhong)）根據(ju)資源可用性(xing)和成(cheng)本（發(fa)(fa)(fa)(fa)電(dian)技(ji)(ji)術模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)）選(xuan)擇發(fa)(fa)(fa)(fa)電(dian)機。

該模(mo)型(xing)通(tong)過在3個子模(mo)型(xing)之間交替(ti)，以(yi)縮(suo)小(xiao)(xiao)發電機位置(zhi)搜索(suo)空間來模(mo)擬(ni)每(mei)小(xiao)(xiao)時(shi)投標(biao)過程(cheng)，繼(ji)而輸出滿足(zu)搜索(suo)條件(jian)的時(shi)空電源(yuan)配置(zhi)。

?圖1澳大利亞(ya)電力供需模(mo)型

情景設置

模擬包(bao)括6種燃料類型：水力、生物質、風(feng)能、光(guang)伏(fu)(fu)電站、屋頂光(guang)伏(fu)(fu)、CSP。對生物質和CSP的成本(ben)以及(ji)容(rong)量倍數進行以下假設：

1 生(sheng)物量(liang)容量(liang)倍數β：{1、5、10、15}，該參數用于模擬生(sheng)物量(liang)容量(liang)的(de)擴(kuo)展(zhan)。

2 生物質(zhi)和(he)(he)CSP成本乘(cheng)數φ：{0.8，0.9，1，1.1，1.2，1.5，2，2.5，3，3.5，4}和(he)(he)ψ：{0.8，0.9，1，1.1，1.2}，這(zhe)些系(xi)數用來表示不同(tong)情景(jing)下與現有成本相比生物質(zhi)和(he)(he)CSP的成本變化(hua)。

模擬結果

上述參數隨機組合產(chan)生220個模(mo)擬方案(an)，以下為模(mo)擬結果。

01 生物質和CSP發電比例對裝機容量的影響

圖2展示(shi)(shi)了生(sheng)物質(zhi)和(he)CSP發(fa)(fa)電(dian)比(bi)(bi)例(li)對(dui)(dui)裝機容量(liang)的(de)(de)(de)影響，其(qi)中(zhong)(zhong)黑色(se)(se)實心點表示(shi)(shi)β，φ和(he)ψ為1的(de)(de)(de)情(qing)形(xing)，即基于現(xian)有技(ji)(ji)術成本下(xia)的(de)(de)(de)100％可(ke)再生(sheng)能(neng)源(yuan)(yuan)(yuan)電(dian)網其(qi)裝機容量(liang)為140~150 GW。通過220個模擬情(qing)形(xing)，進一(yi)步將澳大利(li)亞(ya)100％可(ke)再生(sheng)能(neng)源(yuan)(yuan)(yuan)從(cong)孤(gu)立場景擴展到整個決策范圍。一(yi)般來說，低(di)(di)生(sheng)物質(zhi)和(he)低(di)(di)CSP的(de)(de)(de)發(fa)(fa)電(dian)比(bi)(bi)例(li)會使電(dian)網具有高裝機容量(liang)（對(dui)(dui)應圖2的(de)(de)(de)紅色(se)(se)頂部）。隨著兩者中(zhong)(zhong)任何一(yi)種的(de)(de)(de)發(fa)(fa)電(dian)比(bi)(bi)例(li)增(zeng)加，系統裝機容量(liang)會降低(di)(di)（圖2中(zhong)(zhong)左下(xia)方區(qu)域變藍）。對(dui)(dui)于生(sheng)物質(zhi)比(bi)(bi)例(li)小于10％的(de)(de)(de)配置中(zhong)(zhong)，隨著CSP發(fa)(fa)電(dian)比(bi)(bi)例(li)從(cong)5％增(zeng)加到75％，系統裝機容量(liang)從(cong)約(yue)200 GW下(xia)降到120 GW。同(tong)樣，當CSP不(bu)是(shi)主要(yao)的(de)(de)(de)發(fa)(fa)電(dian)技(ji)(ji)術且其(qi)比(bi)(bi)例(li)不(bu)足10％時，生(sheng)物質(zhi)顯示(shi)(shi)出出色(se)(se)的(de)(de)(de)平衡間歇性資源(yuan)(yuan)(yuan)的(de)(de)(de)能(neng)力(li)：當其(qi)年發(fa)(fa)電(dian)比(bi)(bi)例(li)為30％~40％時，能(neng)夠使得總系統裝機容量(liang)降到70~110 GW。這表明生(sheng)物質(zhi)和(he)CSP在(zai)澳大利(li)亞(ya)100％的(de)(de)(de)可(ke)再生(sheng)能(neng)源(yuan)(yuan)(yuan)電(dian)力(li)供應中(zhong)(zhong)可(ke)能(neng)發(fa)(fa)揮潛在(zai)的(de)(de)(de)重要(yao)作用(yong)。

?圖2生(sheng)物質和CSP發電比例對系統裝機容量的影響

02 生物質能和CSP發電比例對LCOE的影響

LCOE與(yu)系統裝機容(rong)量(liang)顯示出強烈(lie)的(de)(de)負相關性，即高容(rong)量(liang)配(pei)置(zhi)對應于(yu)低(di)(di)LCOE（圖(tu)3）。在基于(yu)現有的(de)(de)成本和生(sheng)物(wu)質裝機容(rong)量(liang)下，100%可(ke)再(zai)生(sheng)能源電網可(ke)實(shi)現約9~10美(mei)分/kWh的(de)(de)LCOE（圖(tu)3中的(de)(de)實(shi)心黑點）。當采用更多的(de)(de)CSP時，該(gai)值將略微降(jiang)低(di)(di)至(zhi)8美(mei)分/kWh，隨著生(sheng)物(wu)質比例的(de)(de)逐漸(jian)增(zeng)加，該(gai)值將降(jiang)至(zhi)近6美(mei)分/kWh。

?圖3生(sheng)物(wu)質能和CSP發電比例對LCOE的(de)影響

03 典型夏季和冬季的周發電曲線

從220個(ge)場景中提取(qu)了(le)典型(xing)的(de)(de)(de)夏(xia)季（圖(tu)(tu)(tu)(tu)4a和(he)圖(tu)(tu)(tu)(tu)4c）和(he)冬(dong)季（圖(tu)(tu)(tu)(tu)4b和(he)圖(tu)(tu)(tu)(tu)4d）周發(fa)電(dian)(dian)曲(qu)線（編者注(zhu)：澳(ao)大(da)利亞季節與北(bei)半球相反，1月(yue)是(shi)夏(xia)季，6月(yue)是(shi)冬(dong)季）。根(gen)據生(sheng)物質成本(ben)(ben)的(de)(de)(de)假(jia)設（φ），生(sheng)物質既可在(zai)冬(dong)季當(dang)其余資(zi)源都枯竭時(shi)用作(zuo)調度(du)（圖(tu)(tu)(tu)(tu)4a和(he)4b），也可在(zai)全年(nian)發(fa)電(dian)(dian)量(liang)(liang)中提供較小(xiao)比例的(de)(de)(de)基礎(chu)負(fu)荷（圖(tu)(tu)(tu)(tu)4c和(he)4d）。對于前(qian)者，在(zai)太(tai)陽(yang)能資(zi)源豐富的(de)(de)(de)夏(xia)季，電(dian)(dian)網只需(xu)采用CSP來(lai)填(tian)補(bu)夜間的(de)(de)(de)缺口(kou)（圖(tu)(tu)(tu)(tu)4a）。而(er)在(zai)典型(xing)冬(dong)季，當(dang)太(tai)陽(yang)能光伏(fu)發(fa)電(dian)(dian)量(liang)(liang)有限時(shi)，則需(xu)更多的(de)(de)(de)CSP（874 MWh發(fa)電(dian)(dian)量(liang)(liang)而(er)不增加CSP容量(liang)(liang)，圖(tu)(tu)(tu)(tu)4b）和(he)生(sheng)物質（758 MWh發(fa)電(dian)(dian)量(liang)(liang)，25 GW容量(liang)(liang)，圖(tu)(tu)(tu)(tu)4b）來(lai)填(tian)補(bu)風(feng)電(dian)(dian)和(he)光伏(fu)的(de)(de)(de)缺口(kou)。在(zai)白天大(da)量(liang)(liang)使用CSP時(shi)，可以(yi)通過生(sheng)物質的(de)(de)(de)使用為(wei)CSP在(zai)較低的(de)(de)(de)熱儲(chu)存狀(zhuang)態下存儲(chu)更多熱量(liang)(liang)提供了(le)靈活性(xing)，從而(er)減少了(le)潛在(zai)的(de)(de)(de)負(fu)荷損失（圖(tu)(tu)(tu)(tu)4b）。根(gen)據生(sheng)物質成本(ben)(ben)的(de)(de)(de)設定，生(sheng)物質還(huan)可以(yi)為(wei)全年(nian)的(de)(de)(de)基礎(chu)負(fu)荷用電(dian)(dian)做出貢獻（2.5 GW容量(liang)(liang)，圖(tu)(tu)(tu)(tu)4c），并(bing)在(zai)太(tai)陽(yang)能和(he)風(feng)能資(zi)源不足的(de)(de)(de)時(shi)期填(tian)補(bu)高達25 GW的(de)(de)(de)缺口(kou)（圖(tu)(tu)(tu)(tu)4d）。

?圖4典型的(de)夏季（1月1日(ri)至(zhi)8月1日(ri)）和(he)冬季（6月1日(ri)至(zhi)6月8日(ri)）的(de)每小(xiao)時用電情(qing)況(kuang)

主要結論

在不(bu)考慮成(cheng)本變(bian)化和生(sheng)物(wu)質(zhi)(zhi)裝機(ji)(ji)容量變(bian)化情況下(xia)（僅基于(yu)現有(you)1.7 GW的(de)生(sheng)物(wu)質(zhi)(zhi)裝機(ji)(ji)容量），生(sheng)物(wu)質(zhi)(zhi)發(fa)電比例約(yue)為(wei)5％，CSP發(fa)電可以達到30％的(de)比例；澳大利亞100％可再生(sheng)能(neng)源電力(li)供應系統的(de)總(zong)裝機(ji)(ji)容量約(yue)為(wei)145.9~148.3 GW，其LCOE為(wei)9.8~10美分/kWh（置信(xin)度95％）。

在(zai)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)質(zhi)未(wei)大規模擴(kuo)展時，CSP可能在(zai)降(jiang)(jiang)低(di)系統容量(liang)和LCOE中(zhong)起(qi)重要作用。對(dui)于生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)質(zhi)比(bi)例小(xiao)于10％的(de)(de)電(dian)(dian)網配置中(zhong)，隨著CSP發電(dian)(dian)比(bi)例增加(jia)到(dao)接(jie)近75％，系統容量(liang)可下(xia)降(jiang)(jiang)到(dao)120 GW。生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)質(zhi)能可為CSP提(ti)供(gong)靈活性，以在(zai)其低(di)熱儲(chu)量(liang)期間存儲(chu)更多熱量(liang)，從而減少潛在(zai)的(de)(de)系統負載損失。考慮到(dao)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)質(zhi)容量(liang)擴(kuo)展的(de)(de)潛力，若其容量(liang)擴(kuo)展至(zhi)5~15倍，系統裝機(ji)容量(liang)可降(jiang)(jiang)至(zhi)70~110 GW，同時，LCOE也將降(jiang)(jiang)至(zhi)6~8美分/kWh。

本文(wen)證明(ming)了生(sheng)(sheng)物質能(neng)(neng)與CSP在(zai)實現澳(ao)大(da)利亞的100％的可再生(sheng)(sheng)能(neng)(neng)源供應方(fang)面(mian)發(fa)揮著重(zhong)要作用。大(da)量的未(wei)充分使用的生(sheng)(sheng)物質有機殘留物使得生(sheng)(sheng)物質發(fa)電(dian)量的增加(jia)成為可能(neng)(neng)。鑒(jian)于豐富的生(sheng)(sheng)物質和太陽能(neng)(neng)資源，混合太陽能(neng)(neng)-生(sheng)(sheng)物質系統在(zai)澳(ao)大(da)利亞可能(neng)(neng)具(ju)有在(zai)太陽能(neng)(neng)與風能(neng)(neng)缺口期(qi)供電(dian)的巨大(da)潛(qian)力。

澳大利亞電力系統簡介：

澳(ao)大利(li)亞(ya)(ya)的(de)(de)國土面積(ji)約(yue)(yue)為770萬(wan)平方千(qian)(qian)米(mi)，南(nan)北約(yue)(yue)3,860千(qian)(qian)米(mi)，東西(xi)向約(yue)(yue)4,000千(qian)(qian)米(mi)，幾(ji)乎相當于(yu)(yu)沒有(you)阿(a)拉(la)斯(si)加的(de)(de)美國本(ben)土的(de)(de)面積(ji)。約(yue)(yue)2300萬(wan)（2016年(nian)(nian)）的(de)(de)人口(kou)主(zhu)要分(fen)布在(zai)東部和(he)西(xi)南(nan)海岸線，且集中在(zai)五個最大的(de)(de)城市。由于(yu)(yu)其規模和(he)人口(kou)分(fen)布，澳(ao)大利(li)亞(ya)(ya)沒有(you)連接(jie)(jie)整個大陸(lu)的(de)(de)電力(li)(li)傳輸網(wang)絡。東部和(he)南(nan)部通過(guo)全國電力(li)(li)市場（NEM）連接(jie)(jie)，該市場占澳(ao)大利(li)亞(ya)(ya)市場總量(liang)(liang)的(de)(de)絕(jue)大部分(fen)（總需求的(de)(de)92％）。西(xi)南(nan)互連系統(tong)（SWIS）連接(jie)(jie)西(xi)澳(ao)大利(li)亞(ya)(ya)的(de)(de)部分(fen)地區；其余區域(yu)通過(guo)離(li)網(wang)/微網(wang)解決方案(an)提供。澳(ao)大利(li)亞(ya)(ya)電力(li)(li)年(nian)(nian)需求約(yue)(yue)220 TWh，具有(you)66 GW的(de)(de)裝(zhuang)機容(rong)量(liang)(liang)，目前由76％的(de)(de)黑/褐煤(mei)，12％的(de)(de)天然(ran)氣，7％的(de)(de)水力(li)(li)和(he)5％的(de)(de)風能提供。通過(guo)約(yue)(yue)59,000 km的(de)(de)傳輸線和(he)電纜連接(jie)(jie)了(le)約(yue)(yue)50 GW的(de)(de)已安裝(zhuang)發電容(rong)量(liang)(liang)。該網(wang)絡沒有(you)與其他(ta)國家/地區互連，但是有(you)一條將塔斯(si)馬尼亞(ya)(ya)島與NEM連接(jie)(jie)的(de)(de)海纜。

澳(ao)大(da)利(li)亞(ya)聯邦政府提(ti)出了(le)到(dao)2020年將可再生能(neng)源(yuan)(yuan)23.5％的(de)(de)目標，并(bing)且有望進一步提(ti)高。澳(ao)大(da)利(li)亞(ya)首都(dou)特(te)區（ACT）和南澳(ao)分(fen)別(bie)已承諾在2025和2020年新能(neng)源(yuan)(yuan)達到(dao)50％（發電量(liang)）和100％（消耗電量(liang)）的(de)(de)目標。昆士蘭(lan)州提(ti)出了(le)到(dao)2030年可再生能(neng)源(yuan)(yuan)占50％的(de)(de)目標。

作者簡介

李夢宇

■李夢宇博(bo)(bo)(bo)士(shi)，于2020年2月(yue)從(cong)悉尼大學(xue)可持續(xu)分析(xi)中心(xin)(ISA)獲得(de)博(bo)(bo)(bo)士(shi)學(xue)位，師(shi)從(cong)Prof Manfred Lenzen，現為該中心(xin)博(bo)(bo)(bo)士(shi)后研究(jiu)員(yuan)。主要通過大數據建(jian)模，來量化(hua)區(qu)域(yu)、國家和全(quan)球范(fan)圍內的可持續(xu)發展(zhan)影響，具(ju)體(ti)包括：1)多能(neng)源耦合系統建(jian)模及協同優(you)化(hua)運行策略(lve)；2)使(shi)用(yong)投入產出經濟模型(xing)進行災難(nan)影響評估。在The Lancet Planetary Health,IEEE Trans.on Smart Grid,Applied Energy,Environmental Science&Technology Letters,Energy等期刊發表SCI論文13篇。相關(guan)研究(jiu)結果得(de)到Guardian,the Conversation,Science Daily,Mirage News,Lab Down Under等澳大利亞媒體(ti)報道。