合作模式驱动下的水产光伏联产系统运营绩效研究——基于台湾地区白虾养殖的实证分析

《Fishes》：Operational Performance of Aquavoltaics Under Different Stakeholder Cooperation Schemes: Evidence from White Shrimp Aquaculture in Taiwan Bo-Ying Chen, Po-Lin Huang, Yen-Lung Hou, Farok Afero, Szu-Han Liu and Cheng-Ting Huang

本研究以台湾地区白虾养殖为例，探讨了四种不同利益相关方合作模式（单一投资、光伏主导租赁、地主回租、养殖与光伏分离运营）对六种水产光伏（aquavoltaics）类型的经济回报与运营效率的影响。通过成本效益分析（CBA）和数据包络分析（DEA），评估了不同合作模式下水产养殖运营商和光伏公司的盈利能力与运营效率差异，揭示了合作模式设计对系统经济可行性、效率及生计影响的塑造作用，为相关政策和合作模型设计提供了参考。

　　

1. 引言

气候变化对生态系统和粮食生产系统造成了损害。根据联合国粮食及农业组织（FAO）统计数据，全球养殖虾产量从2000年的约122万吨增长到2022年的674万吨，年均增长率约7.9%。南美白对虾（Litopenaeus vannamei）目前约占全球养殖虾产量的80-83%。尽管全球范围内快速增长，但中国台湾地区的虾产量未能跟上步伐。2006年，台湾地区产量为2.2万吨；到2024年，产量下降至1.4285万吨。极端高温和台风驱动的降雨事件会损害白虾的生理状态和免疫防御，从而增加生产波动性和死亡率。在台湾地区，自2012年以来，台湾海峡的海面温度大约每十年上升0.63°C。预测表明，台风降雨强度可能增加约35%，南部沿海湿季降水量可能增加约30%，进一步增加了对虾池的热、洪水和水质风险。这些变化共同加剧了台湾地区白虾养殖的气候脆弱性。为应对这些问题，台湾当局正在推广水产光伏（aquavoltaics）政策，鼓励跨学科合作，旨在推动设施化养殖和企业化养殖，同时增强产业应对气候和全球市场挑战的能力。

温室气体排放，主要来自化石燃料，是气候变化的主要贡献者。为减轻温室气体的不利影响，到2050年实现净零碳排放的可持续发展目标已成为全球共识。可再生能源是实现净零的最关键战略之一。常见的可再生能源包括太阳能、风能、地热能、水力发电、潮汐能和生物质能。根据国际可再生能源机构（IRENA）2025年统计，2024年全球可再生能源装机容量达到4442吉瓦。太阳能发电技术可追溯到19世纪末。1876年，Willoughby Smith观察到光电效应。贝尔实验室在1954年发明了第一个高效的太阳能电池。20世纪70年代的石油危机增加了对替代能源的需求，并将太阳能技术带入商业化阶段。20世纪90年代之后，随着技术进步成本下降，部署加速。根据SolarPower Europe的数据，太阳能电力平准化成本从2009年的359美元/兆瓦时下降到2022年的36美元/兆瓦时，促进了容量的快速增长；全球太阳能装机容量现已超过1000吉瓦。

太阳能发电是土地密集型的，因为它依赖太阳辐照度，并且通常比化石燃料发电需要更多的土地——报告估计表明，每吉瓦装机容量至少需要多约20倍的土地。为解决土地限制，许多政府推广了将光伏与其他土地利用（如农业、林业、渔业和畜牧业）相结合的多功能土地利用战略，以减少土地利用冲突并提高整体土地生产力。

为顺应全球可再生能源趋势，台湾地区的企业加入了RE100。台湾当局的目标是到2025年可再生能源占发电量的20%，目标是太阳能装机容量达到20吉瓦。由于土地有限和人口密集，太阳能光伏应规划用于多功能空间。政府正在推广水产光伏，即水产养殖与太阳能发电相结合，以实现土地用途多样化。该政策可以更有效地升级水产养殖并加速能源转型。

台湾地区主要有两种水产光伏模式：用于室外养殖的地面型和用于室内养殖的设施型。国家法规允许太阳能装置覆盖地面型场地面积最多40%，覆盖设施型场地面积最多80%。根据本研究，地面型水产光伏包括漂浮式、桩基式和堤岸式；设施型水产光伏包括室内、半室内和温室式。对这六种模式中白虾养殖的经济可行性研究发现，所有模式在经济上都是可行的。然而，初始投资很高（新台币3200万至8580万元），使得大多数水产养殖者难以在没有外部投资的情况下采用水产光伏。研究指出，结合可再生能源和水产养殖在政府或公司投资下更容易实现。

台湾地区的水产光伏涉及复杂的跨部门合作。通常，水产养殖经营者或土地所有者提供土地，然后光伏公司租用该土地进行水产光伏开发。专业管理公司通常帮助采用和运营水产养殖技术。多个利益相关方主要通过商业合作联系起来。这些合作模式的设计决定了投资、运营风险和收入分配。

关于跨部门合作的国际研究通过供应链、技术知识共享和基础设施共享来考察合作。这些研究确定了盈利潜力，但指出合作结构和利益分享是绩效和稳定性的关键。过去的大多数工作侧重于单一行业或一般性的跨部门案例。关于商业合作模式如何影响水产光伏利益相关方的绩效和效率，缺乏实证证据。为填补这一空白，本研究调查了以下研究问题：

RQ1: 不同的水产光伏合作模式如何影响水产养殖运营商和光伏公司的经济绩效（例如，净现值NPV、内部收益率IRR和投资回收期PBP）？

RQ2: 在规模报酬不变（CRS）和规模报酬可变（VRS）DEA规范下，水产养殖运营商和光伏公司的运营效率结果在不同合作模式间有何差异？

RQ3: 投资分配和风险分担机制的异质性在多大程度上可以解释不同合作模式间观察到的盈利能力和效率差异？

为回答RQ1–RQ3，本研究结合了成本效益分析和数据包络分析，比较了不同水产光伏类型下水产养殖运营商和光伏公司在各合作模式间的经济绩效和效率。从利益相关方和渔业治理的角度，该研究阐明了合作模式之间的效率和收入差异，并为政策和合作模型设计提供了见解。

2. 材料与方法

2.1. 数据来源

本研究基于先前的研究“水产光伏的经济可行性评估——以南美白对虾为例”。它使用了该研究的框架来检验台湾地区使用不同水产光伏模式养殖白虾的经济可行性。然而，目前大多数水产光伏的转型依赖于相关方之间的商业合作。因此，本研究分析了各种商业合作模式的运营绩效，并将先前研究的结果用作后续运营绩效评估的数据源。先前研究的发现参考如下：(1) 研究地点和日照时数，(2) 六种水产光伏模式的运营、投资成本及其他信息，以及 (3) 台南地区室内和室外白虾养殖的生产管理数据。

2.1.1. 研究地点

太阳能发电效率受太阳辐射、日照时数和纬度影响。台南市是台湾地区水产光伏开发的关键区域。其获批的水产光伏面积达5950公顷，是此类面积最大的行政区。因此，本研究选择台南市作为研究地点。根据台湾地区气象部门的数据，过去五年台南市的平均日辐射量为16.1兆焦/米²。基于此数据，估计的日发电能力为3.5千瓦时/天/千瓦。

2.1.2. 水产光伏运营数据

本研究分析了六种水产光伏模式在四种不同合作模式下的运营绩效，运营规模为1公顷。基于先前研究，水产光伏的可养殖面积受水源、地理位置、法规和其他因素影响。对于地面型水产光伏，可养殖面积范围为0.6至0.8公顷，而对于设施型水产光伏，可养殖面积约为0.95公顷。关于初始投资，地面型水产光伏需要新台币3266万元至3764万元的投资。在设施型水产光伏中，温室水产光伏的初始投资最低，为新台币7422.7万元，而全室内水产光伏需要最高的投资，为新台币8586.5万元。

2.1.3. 白虾养殖的生产管理数据

白虾生产和养殖数据分为生物和经济参数。养殖者通常采用放养密度作为风险管理策略。由于更多地暴露于气候和环境风险，室外养殖系统通常使用较低的放养密度，在本研究中设定为每公顷80万尾虾苗。相比之下，室内或设施型养殖系统提供更受控制的饲养条件；因此，假设了更高的放养密度，为每公顷100万尾虾苗。

关于存活率，假设室外白虾养殖的存活率相对较低，为15%，而设施型系统受益于改善的环境控制，假设最低存活率为30%。饲料转化率（FCR）假设在两种养殖系统中相似，分析中采用值1.8。台湾地区白虾虾苗价格差异很大，从每尾新台币0.03元到0.06元不等；因此，本研究应用了每尾新台币0.04元的单价。饲料成本估计为每公斤新台币50元。所有参数值基于研究期间对水产养殖经营者的访谈和当前的水产养殖实践确定。这些值采用三角验证法进行了验证。

2.2. 利益相关方与水产光伏合作模式

2023年4月至6月，本研究通过对主要利益相关方（N=20）进行半结构化访谈，收集了台湾地区水产光伏实践的实证见解。受访者包括水产养殖户、光伏公司、土地所有者和水产养殖咨询公司。访谈涵盖了水产光伏项目中普遍的合作安排、投资分配和运营责任。根据访谈结果，确定了目前台湾地区观察到的四种主要水产光伏合作模式，并随后作为成本效益分析和数据包络分析的比较情景。

在这些合作模式下，利益相关方根据其角色承担不同的投资责任。主要投资项目包括建筑物和太阳能支架、太阳能电池板和逆变器、养殖池以及水产养殖设备。 和图1总结了四种合作模式和六种水产光伏类型下每个利益相关方的投资项目、资本份额、初始投资金额和折旧成本。

2.2.1. 合作模式1：单一投资模式

在单一投资模式下，单个投资者独立资助所有投资项目，并负责光伏运营和水产养殖生产。水产养殖运营商（通常是自营者）或光伏公司承担所有项目100%的投资。对于地面型水产光伏系统，初始投资范围为新台币3266万元至3764万元，年折旧成本约为新台币164万至189万元。对于设施型水产光伏系统，初始投资范围为新台币7423万元至8587万元，年折旧成本约为新台币378万至436万元。

2.2.2. 合作模式2：光伏主导租赁模式

在光伏主导租赁模式下，光伏公司从土地所有者处租赁土地，并与租户或水产养殖咨询公司共同规划水产光伏项目。光伏公司是主要投资者，涵盖太阳能支架、太阳能电池板和逆变器，以及用于养殖的池塘改造，而水产养殖运营商则分别投资于水产养殖设备。项目建设完成后，光伏公司将水产光伏场地转租给水产养殖运营商进行生产活动。

2.2.3. 合作模式3：地主回租模式

地主回租模式与模式2相似，不同之处在于水产养殖运营商是土地所有者。光伏公司与土地所有者协商水产光伏类型和池塘设计，项目开发完成后，将水产养殖运营权回租给土地所有者。在光伏主导租赁模式和地主回租模式下，水产养殖运营商仅投资于水产养殖设备。对于地面型水产光伏系统，初始投资约为新台币8万元，年折旧成本为新台币1.6万元；对于设施型系统，初始投资约为新台币47.5万元，年折旧成本为新台币9.5万元。

2.2.4. 合作模式4：养殖与光伏分离运营模式

养殖与光伏分离运营模式相对不常见，主要见于先前从事设施型养殖的自营者。在这种模式下，水产养殖运营商负责投资和升级养殖池或水产养殖设施，而光伏公司则分别投资于太阳能支架和光伏设备。与地主回租模式相比，水产养殖运营商承担更高的初始投资成本。例如，在全室内水产光伏配置下，水产养殖运营商投资约新台币1112万元，而光伏公司投资约新台币7475万元。

2.3. 运营绩效分析

水产养殖业被认为是21世纪增长最快的食品生产系统。水产生产国一直通过旨在提高生产力的政策，推广和开发新的系统和技术。这些努力在研发和政策推广中通过成本效益分析评估其有效性。此外，数据包络分析已成为水产养殖行业效率评估的广泛使用方法。它经常用于评估水产养殖系统的技术和经济效率。本研究使用成本效益分析和数据包络分析来评估水产光伏合作模式的运营绩效。

2.3.1. 成本效益分析

成本效益分析通常用于评估投资项目或企业管理的财务绩效。成本分为设备折旧成本和运营成本。设备折旧成本基于设备的折旧年限从初始投资计算，本研究使用直线折旧法。运营成本指水产光伏运营期间产生的所有水产养殖费用。收入分为水产养殖收入和售电收入。

对于成本效益分析，本研究选择的评估指标包括效益成本比、利润率、净现值、内部收益率和投资回收期。BCR和PR使用总成本、净收入和总收入计算，用于评估企业盈利能力。在评估NPV和IRR时考虑了货币的时间价值，利用现金流和贴现率。鉴于台湾地区2023年消费者价格指数为2.5%和债券收益率为1.54%，本研究中的贴现率设定为5%。贴现率设定为5%是为了反映与当前研究期间的宏观经济状况一致的保守基准。使用统一的基线假设进行方案级比较。使用Microsoft Office Excel?计算上述指标。所有指标的计算公式如下：

净收入：NR_n= TR_n- OPEX_n- DC_n

其中，n表示第n年，NR_n表示第n年的净收入，TR_n表示第n年的总收入，OPEX_n表示第n年的运营费用，DC_n表示第n年的折旧成本。

效益成本比：BCR_n= NR_n/ TC_n

其中，BCR_n表示第n年的效益成本比，NR_n表示第n年的净收入，TC_n表示第n年的总成本。

利润率：PR_n= NR_n/ TR_n

其中，PR_n表示第n年的利润率，NR_n表示第n年的净收入，TR_n表示第n年的总收入。

现金流：CF_n= TR_n- OPEX_n，n ≠ 0

净现值：NPV = Σ(CF_n/ (1 + r)ⁿ) - I₀

内部收益率：使得NPV = 0的r值。

投资回收期：累计现金流等于初始投资的年份。